1、今天是今天是20222022年年1111月月2828日星期一日星期一大学物理大学物理福州大学至诚学院福州大学至诚学院-循环过程循环过程.热机效率热机效率大学物理教研室大学物理教研室 李培官李培官5-2-1.5-2-1.循环过程循环过程.热机效率热机效率第五章第五章.热力学基础热力学基础1688年，年，帕潘帕潘(法法)：圆筒圆筒+活塞活塞简易蒸汽机简易蒸汽机1698年，年，塞维利塞维利(英英)：蒸汽抽水机蒸汽抽水机1705年，年，纽科门：纽科门：空气蒸汽机空气蒸汽机1765年，年，瓦特：瓦特：改进蒸汽机改进蒸汽机大大提高效率大大提高效率【各各 种种 热热 机机 的的 效效 率率】：蒸汽机蒸汽机%
2、8 汽油机汽油机%25 柴油机柴油机%37 液体燃液体燃料火箭料火箭%48 研究提高热机效率研究提高热机效率热力学发展热力学发展一一.热机发展简介热机发展简介 詹姆斯詹姆斯瓦特瓦特（1736181917361819）是英国）是英国著名的发明家，是工业著名的发明家，是工业革命时的重要人物。他革命时的重要人物。他改良了蒸汽机、发明了改良了蒸汽机、发明了气压表、汽动锤。后人气压表、汽动锤。后人为了纪念他，将功率的为了纪念他，将功率的单位称为瓦特。单位称为瓦特。瓦特改良瓦特改良的蒸汽机，很的蒸汽机，很快运用于纺织快运用于纺织、采矿、运输、采矿、运输等部门，社会等部门，社会生产开始进入生产开始进入“蒸汽
3、时代蒸汽时代”。工业革命期间的一些主要发明工业革命期间的一些主要发明卡诺为热力学第二定律奠定了基础，为提高热机的效卡诺为热力学第二定律奠定了基础，为提高热机的效率指明了方向，率指明了方向，为热力学的发展作出了杰出的贡献！为热力学的发展作出了杰出的贡献！卡诺（卡诺（17961832）蒸汽机发明的初期，效率蒸汽机发明的初期，效率很低（约很低（约4%4%）。法国青年）。法国青年工工程师卡诺不像别人那样着程师卡诺不像别人那样着眼眼于机械细节的改良，而是于机械细节的改良，而是从从理论上对理想热机的工作理论上对理想热机的工作原原理去研究，提出了一种理理去研究，提出了一种理想想的由两个等温及两个绝热的由两个
4、等温及两个绝热过过程构成的循环程构成的循环_卡诺循环卡诺循环。萨迪萨迪.卡诺是法国青年工程师、热力学的创始人之卡诺是法国青年工程师、热力学的创始人之一，是第一个把热和动力联系起来的人。一，是第一个把热和动力联系起来的人。他对蒸汽机所作他对蒸汽机所作的简化、抽象十分彻底。的简化、抽象十分彻底。卡诺循环是最简单、最基本的循环，为卡诺循环是最简单、最基本的循环，为提高热机效率提供了指导。提高热机效率提供了指导。18241824年卡诺提出了对热机设计具有普年卡诺提出了对热机设计具有普遍指导意义的卡诺定理，遍指导意义的卡诺定理，指出了提高热机效率的有效途指出了提高热机效率的有效途径，揭示了热力学的不可逆
5、性，被后人认为是热力学第径，揭示了热力学的不可逆性，被后人认为是热力学第二定律的先驱。二定律的先驱。火箭上的喷气发动机火箭上的喷气发动机 1.定义：定义：系统经过一系列变化状态过程后，又回到系统经过一系列变化状态过程后，又回到原来的状态的过程叫原来的状态的过程叫热力学循环过程热力学循环过程.热力学第一定律热力学第一定律QW12WQQQ净功净功0U2.特征特征pVoWABAVBVcD总放热总放热（取绝对值）取绝对值）总吸热总吸热1Q2Q二二.循环过程循环过程3.3.准静态循环过程：准静态循环过程：1 1）定义：）定义：若循环所经历的过程都是准静态过若循环所经历的过程都是准静态过程，则此循环过程为
6、程，则此循环过程为准静态循环过程准静态循环过程。（可用（可用P-VP-V图上的一条闭合曲线表示）图上的一条闭合曲线表示）2 2）准静态循环过程）准静态循环过程 Q、W、U因为因为 U=0 所以所以 QW=0 也就是说也就是说在一个循环中外界对系统做正功，在一个循环中外界对系统做正功，系统必然放热系统必然放热。反之，如系统对外界做正功，。反之，如系统对外界做正功，系统必然吸热。系统必然吸热。3 3）循环过程可分为正循环和逆循环）循环过程可分为正循环和逆循环PVABC系统由系统由A A到到B B，又由，又由B B经等压过程经等压过程到到C,C,最后由等容过程回到了初最后由等容过程回到了初始状态始状
7、态A A，完成了一个，完成了一个顺时针顺时针循循环，环，系统在这一循环中做正功。系统在这一循环中做正功。根据热力学第一定律系统吸热。根据热力学第一定律系统吸热。这一循环称为这一循环称为。又称为。又称为热机循环。热机循环。PVAB系统由系统由A A到到B B，又由，又由B B到到A A回到了回到了初始状态，完成了一个循环，初始状态，完成了一个循环，不同的是这一循环是不同的是这一循环是逆时针逆时针的。的。系统在这一循环中做负功系统在这一循环中做负功。根。根据热力学第一定律系统放热。据热力学第一定律系统放热。这样的循环称为这样的循环称为。又称。又称为为致冷机循环。致冷机循环。热机热机高温热源高温热源
8、低温热源低温热源1Q热机（热机（正正循环）循环）0W2QWWpVoABAVBVcd三三.热机与热机效率热机与热机效率(正循环效率正循环效率)热机效率热机效率1221111QQQWQQQ 注意！注意！这里的这里的Q都是都是绝对值！绝对值！热机热机：持续地将热量转变为功的机器：持续地将热量转变为功的机器.【热机配音演示动画】【热机配音演示动画】550C0过过热热器器锅锅炉炉给水泵给水泵冷凝器冷凝器冷冷却却水水气气轮轮机机发电机发电机Q QQ Q12A发电厂蒸汽动力循环示意图发电厂蒸汽动力循环示意图AQ QQ Q12高温热源高温热源低温热源低温热源热机工作示意图热机工作示意图20C0高温高压蒸汽高温
9、高压蒸汽解：先画出对应的解：先画出对应的 p pV V 图图2ln22ln1VpRTAQabcbc1123)(23)(VpVppTTCQaababVababcbppVpVp221由0 0 12125)(25)(VpVpVpTTCQaaacaPca0%4.1389.25.21232ln2251112QQ【例例1】1mol1mol单原子分子理想气体作如单原子分子理想气体作如图循环，已知图循环，已知V V2 2=2=2V V1 1,求：循环效率。求：循环效率。oacbVT2V1VOacbpV2V1V【例例2】某理想气体经历图示的循环过程，某理想气体经历图示的循环过程，AB为为等压过程，吸收热量等压过
10、程，吸收热量500J，BC为绝热过程，为绝热过程，CA为为等温过程，且已知该循环效率等温过程，且已知该循环效率20，求：，求：（1）CA过程气体所吸收的热量过程气体所吸收的热量Q2（2）ABC过程气体对外做功过程气体对外做功AVpOABC1120%500QQQ 放放吸400CAQQJ 放0400CACAEAQJ 为等温过程20%AQ吸500ABCABCA AAAJCA=解：解：(1)CA为等温放热过程为等温放热过程 (2)A=100J 为净功为净功W致冷机致冷系数致冷机致冷系数2122QQQWQe致冷机（致冷机（逆逆循环）循环）0W致冷致冷机机高温热源高温热源低温热源低温热源pVoABAVBV
11、cd1Q2QW四四.致冷机与致冷系数致冷机与致冷系数冰箱循环示意图冰箱循环示意图【配音动画】【配音动画】【例【例3 3】逆斯特林循环逆斯特林循环是回热式制冷机的常用工作是回热式制冷机的常用工作模式。如下图，模式。如下图，1-21-2和和3-43-4为等温过程，为等温过程，2-32-3和和4-14-1为为等体过程。求此循环的制冷系数等体过程。求此循环的制冷系数。解：对两个等温度过程解：对两个等温度过程 11112222lnlnVVQvRTQvRTVV两个等体过程热量交换两个等体过程热量交换相抵消，故相抵消，故制冷系数为制冷系数为221212QTQQTT【例【例4 4】试说明空调器的制热模式比电暖器要经济试说明空调器的制热模式比电暖器要经济。答：答：电暖器直接将电能转化为内能电暖器直接将电能转化为内能，在理想，在理想情况下，产生的热量为情况下，产生的热量为QW空调器的制热模式通过对工作物质做功空调器的制热模式通过对工作物质做功，使工，使工作物质从低温热源（室外）吸热，到高温热源作物质从低温热源（室外）吸热，到高温热源（室内）放热，放热量为（室内）放热，放热量为21(1)QQWW显然在消耗相同电能显然在消耗相同电能 W 的情况下空调器在的情况下空调器在室内释放更多的热量。室内释放更多的热量。欢迎指导欢迎指导今天是今天是20222022年年1111月月2828日星期一日星期一谢谢谢谢
