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1、今天是今天是21 21 十二月十二月 2022 2022大学物理大学物理福州大学至诚学院福州大学至诚学院-著名著名循环的计算循环的计算大学物理教研室大学物理教研室 李培官李培官5-2-3.5-2-3.著名著名循环的计算循环的计算第五章第五章.热力学基础热力学基础3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）蒸蒸汽汽机机发发明明的的初初期期，效效率率很很低低（约约4 4%）。法法国国青青年年工工程程师师卡卡诺诺不不像像别别人人那
2、那样样着着眼眼于于机机械械细细节节的的改改良良，而而是是从从理理论论上上对对理理想想热热机机的的工工作作原原理理去去研研究究，提提出出了了一一种种理理想想的的由由两两个个等等温温及及两两个个绝绝热热过过程程构构成成的的循循环环_ _ _卡卡诺诺循循环环。4 卡诺卡诺循环是由两个准静态循环是由两个准静态等温等温过程和两个准静过程和两个准静态态绝热绝热过程组成过程组成.WABCD一一.卡诺循环的计算卡诺循环的计算 卡诺热机效率卡诺热机效率WABCD致冷致冷系数系数5【例例1】设氮气作卡诺循环。热源的温度为设氮气作卡诺循环。热源的温度为1270C，冷源的温度，冷源的温度为为70C，设，设 p1=10
3、atm，V1=10L，V2=20L，试求：，试求：p2、p3、p4、V3、V4；自高温热源吸收的热量；自高温热源吸收的热量；一次循环中气体所一次循环中气体所作的净功；作的净功；循环效率。循环效率。解解：循环效率循环效率6【例例2】一卡诺机在温度为一卡诺机在温度为400K和和300K的两个热源之间运转，问的两个热源之间运转，问(1)如果在每一循环中，该机从高温热源得到如果在每一循环中，该机从高温热源得到6000J的热量，其的热量，其对外作净功多少？对外作净功多少？(2)如果该机反向运转，当作致冷机，从低温热源吸收如果该机反向运转，当作致冷机，从低温热源吸收6000J的的热量，要向高温热源放热多少
4、？热量，要向高温热源放热多少？(3)如果提高高温热源的温度，让热机仍工作在与如果提高高温热源的温度，让热机仍工作在与(1)相同的两条相同的两条绝热线之间，但每次循环净功比绝热线之间，但每次循环净功比(1)增加增加20，求此时高温热源的温，求此时高温热源的温度。度。7【例例3】有一暖气装置如下：用一热机带动一制冷机，制有一暖气装置如下：用一热机带动一制冷机，制冷机从河水中吸热而供给暖气系统中的水，同时暖气中的冷机从河水中吸热而供给暖气系统中的水，同时暖气中的水又作为热机的冷凝器。热机的高温热源温度是水又作为热机的冷凝器。热机的高温热源温度是210，河水温度是河水温度是15，暖气系统的水温是，暖气
5、系统的水温是60。设热机和制冷。设热机和制冷机分别以卡诺正循环和卡诺逆循环工作，暖气系统中的水机分别以卡诺正循环和卡诺逆循环工作，暖气系统中的水得到的热量是煤所发热量的几倍？得到的热量是煤所发热量的几倍？热机效率：热机效率：热机做功：热机做功：热机向暖气系统的水放热：热机向暖气系统的水放热：解：设热机高温热源温度解：设热机高温热源温度是是，暖气系统水温是，暖气系统水温是河水温度是河水温度是，一个循环煤燃烧所发热量，一个循环煤燃烧所发热量8a二二.奥托循环的计算奥托循环的计算德国工程师奥托德国工程师奥托(Otto,1832-1891)(Otto,1832-1891)于于18761876年仿效卡诺
6、年仿效卡诺循环设计使用气体循环设计使用气体燃料的火花塞点火燃料的火花塞点火式四冲程内燃机。式四冲程内燃机。所使用的工作所使用的工作物质主要是天然气物质主要是天然气体及汽油蒸汽，体及汽油蒸汽，这这种内燃机也称为汽种内燃机也称为汽油机油机(gasoline(gasoline engine)engine)。奥托奥托循环是由两个准静态绝循环是由两个准静态绝热过程和两个准静态热过程和两个准静态等体等体过程过程组成组成.9奥奥托托循循环环【奥托循环演示动画】【奥托循环演示动画】10【例例4 4】四四冲冲程程汽汽油油机机的的理理想想工工作作过过程程称称为为奥奥托托循循环环。如如下下图图，1-21-2和和3-
7、43-4为为绝绝热热过过程程，2-32-3和和4-4-1 1为等体过程。定义压缩比为等体过程。定义压缩比 。求求：奥托循环的效率。：奥托循环的效率。11解解:由绝热方程可得由绝热方程可得 对两个等体过程对两个等体过程 故循环效率为故循环效率为 奥托循环的效率只由压缩比奥托循环的效率只由压缩比r决定。决定。12 狄塞尔循环狄塞尔循环(定压加热循定压加热循环环)曲线是曲线是由绝热压缩、等压由绝热压缩、等压吸热、绝热膨胀和等容放热吸热、绝热膨胀和等容放热线构成。线构成。狄塞尔循环狄塞尔循环(定压加热循环定压加热循环)德国工程师狄塞尔德国工程师狄塞尔(1856-1913)(1856-1913)于于18
8、921892年提出了压缩点火式内燃机的原始年提出了压缩点火式内燃机的原始设计设计。所谓压缩点火式就是使燃料气体在气缸中被压缩。所谓压缩点火式就是使燃料气体在气缸中被压缩到它的温度超过它自己的点火温度到它的温度超过它自己的点火温度(例如，气缸中气体例如，气缸中气体温度可升高到温度可升高到600-700600-700，而，而 柴油燃点为柴油燃点为335)335)。这时。这时燃料气体在气缸中一面燃烧，一面推动活塞对外作功。燃料气体在气缸中一面燃烧，一面推动活塞对外作功。18971897年最早制成了以煤油为燃料的内燃机年最早制成了以煤油为燃料的内燃机，后改用柴油，后改用柴油为燃料，这就为燃料，这就是我
9、们通常所是我们通常所称的柴油机称的柴油机。三三.狄塞尔循环的计算狄塞尔循环的计算13【例例5 5】四四冲冲程程柴柴油油机机的的理理想想工工作作过过程程称称为为狄狄塞塞尔尔循循环环。如如下下图图，1-21-2为为绝绝热热压压缩缩，2-32-3为为等等压压膨膨胀胀，3-43-4为为绝绝热热膨膨胀胀，4-14-1为为等等体体降降压压。已已知知压压缩缩比比 ，定定压膨胀比为压膨胀比为 求求：狄塞尔循环的效率。：狄塞尔循环的效率。14解解:由等体过程和等压过程由等体过程和等压过程 对等压过程和绝热过程对等压过程和绝热过程循环效率为循环效率为 15由于狄塞尔循环没有由于狄塞尔循环没有K K1010的限制，
10、故其效率可大于奥托的限制，故其效率可大于奥托循环。柴油机比汽油机笨重而能循环。柴油机比汽油机笨重而能 发出较大功率，因而常发出较大功率，因而常用作大型卡车、工程机械、机车和和船舶的动力装置。用作大型卡车、工程机械、机车和和船舶的动力装置。16四四.布莱顿循环的计算布莱顿循环的计算 布莱顿布莱顿循环是由两循环是由两个准静态个准静态绝绝热热过程和两过程和两个准静态个准静态等等压压过程组成过程组成.17【例例6 6】燃燃气气轮轮机机的的理理想想工工作作过过程程称称为为布布莱莱顿顿循循环环。如如下下图图，A-BA-B为为等等压压膨膨胀胀，B-CB-C为为绝绝热热膨膨胀胀，C-DC-D为为等等压压压压缩
11、缩，D-AD-A为为绝绝热热压压缩缩。已已知知：T TC C=300K,=300K,T TB B =400K=400K。试试求求：此此循循环环的的效率。效率。pVABCDo18pVABCDo解：解：19 五五.斯特林斯特林循环的计算循环的计算 斯特林斯特林循环是由循环是由两个准静两个准静态态等温等温过过程和两个程和两个准静态准静态等等体体过程组过程组成成.20斯特林引擎斯特林引擎（Stirling Engine），），是一种由外部供热是一种由外部供热使气体在不同温度使气体在不同温度下作周期性压缩和下作周期性压缩和膨胀的封闭往复式膨胀的封闭往复式发动机。发动机。它它由苏格兰牧师斯由苏格兰牧师斯特林提出。特林提出。21【例例7 7】逆逆斯斯特特林林循循环环是是回回热热式式制制冷冷机机的的常常用用工工作作模模式式。如如下下图图，1-21-2和和3-43-4为为等等温温过过程程，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 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22Tips for Better Life for 2013欢迎指导欢迎指导欢迎指导欢迎指导今天是今天是21 21 十二月十二月 2022 2022谢谢谢谢谢谢谢谢