1、6-6 6-6 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 历史上，热力学理论最初是在研究热机工作过历史上，热力学理论最初是在研究热机工作过程的基础上发展起来的。程的基础上发展起来的。热机发展简介热机发展简介 1698年萨维利和年萨维利和1705年纽可门先后年纽可门先后发明了发明了蒸汽机，当时蒸汽机的效率极低，蒸汽机，当时蒸汽机的效率极低，1765年瓦特进年瓦特进行了重大改进，行了重大改进，大大提高了效率。人们一直在为提高大大提高了效率。人们一直在为提高热机的效率而努力，从理论上研究热机效率问题，一方热机的效率而努力，从理论上研究热机效率问题，一方面指明了提高效率的方向，另一方面也推动了热学理论面指明
2、了提高效率的方向，另一方面也推动了热学理论的发展的发展 。各种热机的效率各种热机的效率液体燃料火箭液体燃料火箭柴油机柴油机汽油机汽油机蒸汽机蒸汽机%48%8%37%25 工作物质工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质并对外做功的物质.冰箱循环示意图冰箱循环示意图 若循环的每一阶段都是准静态过程，则此循环若循环的每一阶段都是准静态过程，则此循环可用可用P-VP-V图上的一条闭合曲线表示。箭头表示过程图上的一条闭合曲线表示。箭头表示过程进行的方向。工质在整个循环过程中对外作的净功进行的方向。工质在整个循环过程中对外作的净功等于曲线所包围的面积。等于
3、曲线所包围的面积。在热机中被用来吸收热量并对外作功的物质在热机中被用来吸收热量并对外作功的物质叫叫工质工质。工质往往经历着循环过程，即经历一系。工质往往经历着循环过程，即经历一系列变化又回到初始状态。列变化又回到初始状态。沿顺时针方向进行的循环称为沿顺时针方向进行的循环称为正循环或热循环正循环或热循环。沿反时针方向进行的循环称为沿反时针方向进行的循环称为逆循环或制冷循环逆循环或制冷循环。正循环的特征：正循环的特征：一定质量的工质在一次循环过程中要从高温热一定质量的工质在一次循环过程中要从高温热源吸热源吸热Q1，对外作净功，对外作净功|W|，又向低温热源放，又向低温热源放出热量出热量Q2。而工质
4、回到初态，内能不变。如热。而工质回到初态，内能不变。如热电厂中水的循环过程（示意如图）。电厂中水的循环过程（示意如图）。Q1、Q2、|W|均表示数值大小。均表示数值大小。工质经一循环工质经一循环|W|=Q1-Q2T1 Q1T2 Q2泵|W|气缸PVabcd 系统经过一系列变化状态过程后，又回到原来的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热力学循环过程状态的过程叫热力学循环过程.0E特征特征一一 循环过程循环过程热力学第一定律热力学第一定律WQ QQQW21净功净功dpVoWABAVBVc总放热总放热（取绝对值）取绝对值）2Q总吸热总吸热1Q二二 热机效率和致冷机的致冷系数热机效
5、率和致冷机的致冷系数热机热机高温热源高温热源低温热源低温热源1Q2QW热机（热机（正正循环）循环）0WWpVoABAVBVcd热机效率热机效率1212111QQQQQQW致冷致冷机机高温热源高温热源低温热源低温热源1Q2QW致冷机（致冷机（逆逆循环）循环）0WWpVodABAVBVc致冷机致冷系数致冷机致冷系数2122QQQWQe 例例 1 1 mol 氦气经过如图所示的循环过程，其氦气经过如图所示的循环过程，其中中 ,求求12、23、34、41各过程中气体吸收的热量和热机的效率各过程中气体吸收的热量和热机的效率.122 pp142VV解解 由理想气体物态方程得由理想气体物态方程得122TT
6、134TT 142TT1m,12m,12)(TCTTCQVV1m,23m,232)(TCTTCQpp1m,34m,342)(TCTTCQVV141V4V231p2pPVo12Q34Q41Q23Q141V4V231p2pPVo12Q34Q41Q23Q)23(m,11RCTRTVQWQQQ1121%3.15RCCVpm,m,)(1412VVppW111RTVpQQQ231211m,1m,2TCTCpV1m,12TCQV1m,232TCQp1m,342TCQV1m,41m,41)(TCTTCQpp三三 卡诺循环卡诺循环 1824 年法国的年青工程师卡诺提出一个工作年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在
7、在两两热源之间的热源之间的理想理想循环循环卡诺卡诺循环循环.给出了热机给出了热机效率的理论极限值效率的理论极限值;他还提出了著名的卡诺定理他还提出了著名的卡诺定理.卡诺卡诺循环是循环是理想气体为工质理想气体为工质由两个准静态由两个准静态等温等温过程和两个准静态过程和两个准静态绝热绝热过程组成过程组成.Vop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT 低温热源低温热源2T高温热源高温热源1T卡诺热机卡诺热机1Q2QW 理想气体卡诺循环热机效率的计算理想气体卡诺循环热机效率的计算Vop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ A B 等温膨胀等温膨胀
8、 B C 绝热膨胀绝热膨胀 C D 等温压缩等温压缩 D A 绝热压缩绝热压缩卡诺循环卡诺循环1211lnVVRTMmQQabA B 等温膨胀等温膨胀吸吸热热Vop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ4322lnVVRTMmQQcdC D 等温压缩放热等温压缩放热1211lnVVRTMmQ 12431212lnln11VVVVTTQQ D A 绝热过程绝热过程214111TVTVB C 绝热过程绝热过程 213112TVTVVop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ4312VVVV121TT 卡诺热机效率卡诺热机效率124
9、31212lnln11VVVVTTQQ 卡诺热机效率与工作卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效差越大，则卡诺循环的效率越高率越高.在一次循环中，气体在一次循环中，气体对外作净功为对外作净功为|W|=Q1-Q2 （参见能流图）参见能流图）T1T2Q1Q2W 可以证明在同样两个温度可以证明在同样两个温度T T1 1和和T T2 2之间工作的各之间工作的各种工质的卡诺循环的效率都由上式给定，而且是实种工质的卡诺循环的效率都由上式给定，而且是实际热机可能效率的最大值。际热机可能效率的最大值。当用热力学温标当用热
10、力学温标T1、T2表示两个热源的温度时，卡诺循环的效率的表示仍表示两个热源的温度时，卡诺循环的效率的表示仍为上式。为上式。卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机（卡诺逆循环）Vop2TW1TABCD21TT 2Q1Q高温热源高温热源1T低温热源低温热源2T卡诺致冷机卡诺致冷机W1Q2Q卡诺致冷机卡诺致冷机致冷致冷系数系数212212TTTQQQe逆向循环反映了制冷逆向循环反映了制冷机的工作原理，其能机的工作原理，其能流图如右图所示。流图如右图所示。T1T2Q1Q2W工质把从低温热源吸收的热量和外界对它所作的工质把从低温热源吸收的热量和外界对它所作的功以热量的形式传给高温热源，其结果可使低温功以热量
11、的形式传给高温热源，其结果可使低温热源的温度更低，达到制冷的目的。吸热越多，热源的温度更低，达到制冷的目的。吸热越多，外界作功越少，表明制冷机效能越好。用制冷系外界作功越少，表明制冷机效能越好。用制冷系数数e e表示之。表示之。介绍：介绍：保护臭氧层保护臭氧层保护保护地球表面地球表面免受某些具有破坏性的紫外线免受某些具有破坏性的紫外线臭氧臭氧3O层：层：位于地面上空位于地面上空20-50km20-50km的同温层中的同温层中作用：作用：辐射，控制地球气温（散热片）辐射，控制地球气温（散热片）合合物物中中的的氢氢部部分分或或全全部部取取代代碳碳氢氢化化用用BrCl,F,22FClC:如如生生成成
12、的的化化合合物物。引起公害引起公害氟里昂对臭氧层的破坏氟里昂对臭氧层的破坏23OClOOCl2OClOClO循环反应循环反应,分子分子破坏破坏3O游离氧原子游离氧原子 后后 果：果：紫外线辐射增强紫外线辐射增强晒斑，雪盲，视力损害，皮肤癌，白内障晒斑，雪盲，视力损害，皮肤癌，白内障.植物生长率下降，海洋生物减少植物生长率下降，海洋生物减少 温室效应温室效应）氟氟里里昂昂%30%70,(CO2气候异常，农业、畜牧业受损，国土干燥化气候异常，农业、畜牧业受损，国土干燥化北极冰帽熔化，海平面上升，大陆被淹北极冰帽熔化，海平面上升，大陆被淹.1987.9 蒙特利尔蒙特利尔1990.6 伦敦伦敦会议决定
13、会议决定2000年停止生产和消费氟里昂，年停止生产和消费氟里昂，发展中国家延长发展中国家延长10年。年。解决途径解决途径寻找纯工质替代物（无寻找纯工质替代物（无Cl)Cl)磁致冷磁致冷半导体致冷半导体致冷注意：注意：避免使用发达国家提供的过时、有害环境的避免使用发达国家提供的过时、有害环境的技术来实现发展。技术来实现发展。警惕以警惕以“援助、投资之名，行污染转移之实援助、投资之名，行污染转移之实”谨防谨防“输出自然资源，留下环境破坏。输出自然资源，留下环境破坏。”图中两卡诺循环图中两卡诺循环 吗吗？2121212T1T2W1W21WW poV讨讨 论论poV2T1T2W1W3T21WW 例例2
14、 一台电冰箱放在室温为一台电冰箱放在室温为 的房间里的房间里，冰，冰箱储藏柜中的温度维持在箱储藏柜中的温度维持在 .现每天有现每天有 的的热量自房间传入冰箱内热量自房间传入冰箱内,若要维持冰箱内温度不变若要维持冰箱内温度不变,外外界每天需作多少功界每天需作多少功,其功率为多少其功率为多少?设在设在 至至 之间运转的致冷机之间运转的致冷机(冰箱冰箱)的致冷系数的致冷系数,是卡诺致冷机是卡诺致冷机致冷系数的致冷系数的 55%.C5C20J100.27C5C20解解由致冷机致冷系数由致冷机致冷系数 得得212QQQe211QeeQ房间传入冰箱的热量房间传入冰箱的热量 热平衡时热平衡时J100.27Q2QQ 2.1010055%55212TTTee卡211QeeQ房间传入冰箱的热量房间传入冰箱的热量 热平衡时热平衡时J100.27Q2QQ J102.217Qee保持冰箱在保持冰箱在 至至 之间运转之间运转,每天需作功每天需作功 C5C20J102.07121QQQQWW23360024102.07WtWP功率功率
