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1、第六章 热力学基础,6-3 循环过程 卡诺循环,卡诺( Carnot ),法国炮兵军官,2,6. 热力学基础,6.1 热力学第零定律和第一定律6.2 热力学第一定律对理想气体准静态过程的应用6.3 循环过程 卡诺循环6.4 热力学第二定律6.5 可逆过程与不可逆过程 卡诺定理6.6 熵 玻尔兹曼关系6.7 熵增加原理 热力学第二定律的统计意义6.8* 耗散结构 信息熵,循环过程 卡诺循环,3,循环过程,循环过程：一个系统，经过一系列变化后又回到初始状态的过程。 （意义：热机改进）,17 世纪末发明了巴本锅和蒸汽泵18 世纪末瓦特完善了蒸汽机 (增加了冷凝器，发明了活塞阀、飞轮、离心节速器等 )
2、使其成为真正的动力.蒸汽机的改善：扩大容量 ( 很多人做 )提高效率 ( 卡诺 )年轻的法国炮兵军官 Sadi Carnot 探索如何用较少的燃料获得较多的动力，以提高效率和经济效益。,热机：将热转换为功。 方法：理想气体等温膨胀？,4,蒸汽机,托马斯纽科门蒸汽机,早期的蒸汽机使用蒸汽凝结时产生的真空来做功，后来则使用蒸汽膨胀来做功。,双动活塞,5,蒸汽机,三胀式蒸汽机,6,循环过程,实例：火力发电厂的热力循环。,水从锅炉中吸收热量Q1变成高温高压的蒸汽；蒸汽在推动汽轮机的叶轮对外做功A2；废气进入冷凝器凝结为水放出热量Q2；泵对冷凝水做功A1将它压回锅炉中。,7,循环过程,特点：内能没有改变
3、！如循环的各阶段均为准静态过程，则循环过程可用状态图 ( 如 P -V 图 ) 上闭合曲线表示； abc过程中，系统对外界做功A1 (体积增加)；cda过程中，外界对系统做功A2 (体积减少) ；E = 0； (又回到初态，内能不变)循环曲线所包围的面积等于循环过程中系统对外做的净功 (=12)。,热循环：一定量的工作物质在一次循环过程中要从高温热库（如锅炉）吸热Q1，对外做净功A，又向低温热库（如冷凝器）放出热量Q2.,8,循环效率,循环效率：在一次循环过程中，工作物质对外做的净功占它从高温热库吸收的热量的比率。（是热机效能的重要标志）,从图可见：,9,卡诺循环,在一循环中，若系统只和高温热
4、源 ( 温度 T1) 与低温热源 ( 温度 T2 ) 交换热量，这样的循环称卡诺循环。,12：气缸和温度为T1的高温热库接触，因此气体做等温膨胀，V1增大到V2。 吸热：,23：将气缸从高温热库移开后不与其他物体接触，因此气体做绝热膨胀，体积变为V3，温度降到T2。,10,卡诺循环,34：使气缸和温度为T2的低温热库接触，等温地压缩气体直到其体积缩小到V4。 放热：,41：将气缸从低温热库移开，沿绝热线压缩气体，直到其回到起始状态1。,在一次循环中，气体对外作的净功：,在一循环中，若系统只和高温热源 ( 温度 T1) 与低温热源 ( 温度 T2 ) 交换热量，这样的循环称卡诺循环。,11,卡诺
5、循环,闭合条件：,1、4 点在同一绝热线上，,2、3 点在同一绝热线上，,两式相比：,12,卡诺循环：效率,效率：,1 2 等温膨胀过程,3 4 等温压缩过程,因,卡诺循环效率：,13,卡诺循环：效率,讨论：,效率与理想气体的种类、M 、P 、V 的变化无关，只与 T1、T2 有关！可证：各种工质的卡诺循环的效率都等于上式， 且是实际热机效率的最大值。 提高效率的途径：提高 T1 ；降低 T2， 实用上是提高 T1 。,实例：现代热电厂：T1 = 900K；T2 = 300K 理论上： 效率 65%， 实际上： 40% ， 原因：非卡诺循环，非准静态，有摩擦。,思考题,有两个热机分别用不同热源
6、作卡诺循环。在p-V图上，它们的循环曲线所包围的面积相等，当形状不同。它们吸热和放热的差值是否相同？因：净功 ，面积一样，净功相同，温差也相同。效率是否相同？ 因，效率还与吸热有关。与高温热源温度有关，它们 2 不同，效率也不同。,14,思考题,P-V图中循环过程的曲线面积表示热机在一个循环中所做的净功。如果体积膨胀得大些，面积就大了，所做的净功就多了，因此热机效率也就提高了？,15,面积大了，净功就多了。但是，吸热时，从外面吸收的热量也多了。,16,致冷循环 （逆循环）,致冷机的工作物质作逆循环。通过外界对系统作功将系统由低温源吸收的热量传递到高温源，从而使低温源温度降低。,逆循环,例如：电
7、冰箱、空调都属于致冷机。,17,致冷机的工作原理,工作物质在压缩机A内被急速压缩成高温高压气体，送入蛇形管冷凝器(高温库)，由周围空气或冷却水冷却，而使气体在高压下凝结成高压液体。液体经过节流阀后(汤姆逊效应)，降温降压并部分汽化，在进入蛇形管蒸发器，低温低压液体从冷库吸热而使冷库降温，自身则变为低压蒸汽吸入压缩机。如此重复循环制冷。应用：利用外界的作功使热量由低温处流动高温处，获得低温。,(向高温库放热),(从低温库吸热),高温高压气体,高压液体,低压气体,低温低压液体,18,致冷系数,致冷系数：在一循环中，外界做功A外系统从低温热源提取热量 Q2，和所消耗的外功A的比值。,以理想气体为工质
8、的卡诺致冷循环的致冷系数：,从图可见：,A,Q,Q,1,2,高温热源,低温热源,越小,也越小.,要从温度很低的低温热源中吸取热量，消耗的功多,致冷系数：,19,例：6-4,有一卡诺制冷机，从温度为-100C的冷藏室吸取热量，而向温度为200C的物体放出热量。设该制冷机所耗功率为15kW，问每分钟从冷藏室吸取热量为多少？,20,奥托热机,奥托热机：德国物理学家奥托发明的一种热机，以其原理制造的发动机现仍在使用。奥托机的循环曲线是由两条绝热线和两条等容线构成。,21,例：6-5,内燃机的循环之一：奥托循环。内燃机利用液体或气体燃料，直接在气缸中燃烧，产生巨大的压强而作功。内燃机的种类很多，我们只举
9、活塞经过四个过程完成一个循环(如图)的四动程汽油内燃机(奥托循环)为例。说明整个循环中各个分过程的特征，并计算这一循环的效率。,奥托机的循环曲线由：两条绝热线两条等容线,绝热线,22,例：6-5,解： 奥托循环的四个分过程如下： (1) 吸入燃料过程 气缸开始吸入汽油蒸汽及助燃空气，此时压强约等于1.0105Pa ，这是个等压过程（图中过程ab）,(2) 压缩过程 活塞自下向上移动，将已吸入气缸内的混合气体加以压缩，使之体积减小，压强增大，温度升高。由于压缩较快，气缸散热较慢，可看作一绝热过程（图中过程bc）,23,例：6-5,(5) 排气过程 开放排气口，使气体压强突然降为大气压，这过程近似
10、于一个等体过程（图中过程eb） 然后再由飞轮的惯性带动活塞，使之从下向上移动，排出废气，这是个等压过程（图中过程ba）。,(3) 爆炸 在上述高温压缩气体中，用电火花或其他方式引起燃烧爆炸，气体压强随之骤增，由于爆炸时间短促，活塞在这一瞬间移动的距离极小，这近似为等体过程（图中过程cd）。(4) 作功过程 这一巨大的压强把活塞向下推动而作功，同时压强也随着气体的膨胀而降低，爆炸后的作功过程(气缸散热较慢)可看成绝热过程（图中过程de）。,24,例题：6-5,严格地说，上述内燃机进行的过程不能看作是个循环过程。因为过程进行中，最初的工作物为燃料及空气。后经燃烧，工作物变为二氧化碳，水汽等废气，从
11、气缸向外排出不再回复到初始状态。但因内燃机作功主要是在p-V图上bcdeb这一封闭曲线所代表的过程中，为了分析与计算的方便，我们可换用空气作为工作物，经历bcedb这个循环，而把它叫做空气奥托循环。,气体主要在循环的等体过程cd中吸热（相当于在爆炸中产生的热），而在等体过程eb中放热（相当于随废气而排出的热），设气体的质量为M，摩尔质量为Mmol，摩尔定体热容为Cv，则在等体过程(爆炸)cd中，气体吸取的热量Q1为,25,例题：6-5,在等体过程eb中放出的热量:,把气体看作理想气体，从绝热过程de及bc可得如下关系,所以这个循环效率:,两式相减得,亦即,26,例：6-5,代入效率计算式，可得
12、,实际上汽油机的效率只有25左右！,=/0 叫做压缩比。计算表明，压缩比愈大，效率愈高。汽油内燃机的压缩比不能大于7，否则汽油蒸汽与空气的混合气体在尚未压缩至c点时温度已高到足以引起混合气体燃烧了。设 =7, =1.4，则,家用电冰箱循环,压缩机将工质蒸汽压缩，工质变成高温高压的蒸汽蒸汽在散热器（凝结器）中凝结为液体，同时放出大量的热量。液体经节流阀（汤姆孙效应）后温度下降而吸收热。,28,一直敞开冰箱门能制冷整个房间吗？,思考：,打开冰箱凉快一下,参考资料,29,低温是指比液态空气在1大气压下的沸点80K更低的温度。,获得低温的方法：,1 通过更低温的物体来冷却。2 通过绝热膨胀降温。3 通过节流膨胀降温。4 通过吸收潜热（汽化热、溶解热、稀释热）来降温。,在低温领域，许多物质具有异于常温下的物理性质，如超导电性、超流动性。,作业,30,习题（P241）：6-9、6-12、6-14,