物理上06-03循環(huán)過程循環(huán)

1、第六章 熱力學(xué)基礎(chǔ)6-3 循環(huán)過程 卡諾循環(huán) 卡諾( Carnot ) 法國炮兵軍官 26. 熱力學(xué)基礎(chǔ)6.1 熱力學(xué)第零定律和第一定律6.2 熱力學(xué)第一定律對理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)過程的應(yīng)用6.3 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)6.4 熱力學(xué)第二定律6.5 可逆過程與不可逆過程 卡諾定理6.6 熵 玻爾茲曼關(guān)系6.7 熵增加原理 熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計意義6.8* 耗散結(jié)構(gòu) 信息熵 循環(huán)過程 卡諾循環(huán)3循環(huán)過程循環(huán)過程：一個系統(tǒng)，經(jīng)過一系列變化后又回到初始狀態(tài)的過程。 （意義：熱機(jī)改進(jìn)）17 世紀(jì)末發(fā)明了巴本鍋和蒸汽泵18 世紀(jì)末瓦特完善了蒸汽機(jī) (增加了冷凝器，發(fā)明了活塞閥、飛輪、離心節(jié)速器等 )使其成為真正的

2、動力.蒸汽機(jī)的改善：擴(kuò)大容量 ( 很多人做 )提高效率 ( 卡諾 )年輕的法國炮兵軍官 Sadi Carnot 探索如何用較少的燃料獲得較多的動力，以提高效率和經(jīng)濟(jì)效益。 熱機(jī)：將熱轉(zhuǎn)換為功。 方法：理想氣體等溫膨脹？4蒸汽機(jī)托馬斯紐科門蒸汽機(jī)早期的蒸汽機(jī)使用蒸汽凝結(jié)時產(chǎn)生的真空來做功，后來則使用蒸汽膨脹來做功。雙動活塞5蒸汽機(jī)三脹式蒸汽機(jī)內(nèi)燃機(jī)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化機(jī)械能。汽車上常見的四沖程循環(huán)的往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，其工作方式即為循環(huán)燃燒。每次循環(huán)可分為如下過程：1. 進(jìn)氣。2. 壓縮。3. 做功。4. 排氣。6循環(huán)過程實(shí)例：火力發(fā)電廠的熱力循環(huán)。 水從鍋爐中吸收熱量Q1變成高溫高壓的蒸汽；蒸汽在

3、推動汽輪機(jī)的葉輪對外做功A2；廢氣進(jìn)入冷凝器凝結(jié)為水放出熱量Q2；泵對冷凝水做功A1將它壓回鍋爐中。7循環(huán)過程熱循環(huán)：一定量的工作物質(zhì)在一次循環(huán)過程中要從高溫?zé)釒欤ㄈ珏仩t）吸熱Q1，對外做凈功A，又向低溫?zé)釒欤ㄈ缋淠鳎┓懦鰺崃縌2.8循環(huán)效率循環(huán)效率：在一次循環(huán)過程中，工作物質(zhì)對外做的凈功占它從高溫?zé)釒煳盏臒崃康谋嚷?。（是熱機(jī)效能的重要標(biāo)志）AQQ12高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩磸膱D可見：9卡諾循環(huán)在一循環(huán)中，若系統(tǒng)只和高溫?zé)嵩?( 溫度 T1) 與低溫?zé)嵩?( 溫度 T2 ) 交換熱量，這樣的循環(huán)稱卡諾循環(huán)。 12：氣缸和溫度為T1的高溫?zé)釒旖佑|，因此氣體做等溫膨脹，V1增大到V2。 吸熱： 23：

4、將氣缸從高溫?zé)釒煲崎_后不與其他物體接觸，因此氣體做絕熱膨脹，體積變?yōu)閂3，溫度降到T2。 10卡諾循環(huán) 34：使氣缸和溫度為T2的低溫?zé)釒旖佑|，等溫地壓縮氣體直到其體積縮小到V4。 放熱： 41：將氣缸從低溫?zé)釒煲崎_，沿絕熱線壓縮氣體，直到其回到起始狀態(tài)1。 在一次循環(huán)中，氣體對外作的凈功：在一循環(huán)中，若系統(tǒng)只和高溫?zé)嵩?( 溫度 T1) 與低溫?zé)嵩?( 溫度 T2 ) 交換熱量，這樣的循環(huán)稱卡諾循環(huán)。11卡諾循環(huán)閉合條件： 1、4 點(diǎn)在同一絕熱線上， 2、3 點(diǎn)在同一絕熱線上， 兩式相比： 12卡諾循環(huán)：效率效率： 1 2 等溫膨脹過程 3 4 等溫壓縮過程因卡諾循環(huán)效率：13卡諾循環(huán)：效率

5、討論：效率與理想氣體的種類、M 、P 、V 的變化無關(guān)，只與 T1、T2 有關(guān)！可證：各種工質(zhì)的卡諾循環(huán)的效率都等于上式， 且是實(shí)際熱機(jī)效率的最大值。 提高效率的途徑：提高 T1 ；降低 T2， 實(shí)用上是提高 T1 。實(shí)例：現(xiàn)代熱電廠：T1 = 900K；T2 = 300K 理論上： 效率 65%， 實(shí)際上： 40% ， 原因：非卡諾循環(huán)，非準(zhǔn)靜態(tài)，有摩擦。 思考題14思考題P-V圖中循環(huán)過程的曲線面積表示熱機(jī)在一個循環(huán)中所做的凈功。如果體積膨脹得大些，面積就大了，所做的凈功就多了，因此熱機(jī)效率也就提高了？15面積大了，凈功就多了。但是，吸熱時，從外面吸收的熱量也多了。16致冷循環(huán) （逆循環(huán)）

6、致冷機(jī)的工作物質(zhì)作逆循環(huán)。通過外界對系統(tǒng)作功將系統(tǒng)由低溫源吸收的熱量傳遞到高溫源，從而使低溫源溫度降低。逆循環(huán)例如：電冰箱、空調(diào)都屬于致冷機(jī)。17致冷機(jī)的工作原理工作物質(zhì)在壓縮機(jī)A內(nèi)被急速壓縮成高溫高壓氣體，送入蛇形管冷凝器(高溫庫)，由周圍空氣或冷卻水冷卻，而使氣體在高壓下凝結(jié)成高壓液體。液體經(jīng)過節(jié)流閥后(湯姆遜效應(yīng))，降溫降壓并部分汽化，在進(jìn)入蛇形管蒸發(fā)器，低溫低壓液體從冷庫吸熱而使冷庫降溫，自身則變?yōu)榈蛪赫羝雺嚎s機(jī)。如此重復(fù)循環(huán)制冷。應(yīng)用：利用外界的作功使熱量由低溫處流動高溫處，獲得低溫。(向高溫庫放熱)(從低溫庫吸熱)高溫高壓氣體高壓液體低壓氣體低溫低壓液體18致冷系數(shù)致冷系數(shù)：在

7、一循環(huán)中，外界做功A外系統(tǒng)從低溫?zé)嵩刺崛崃?Q2，和所消耗的外功A的比值。以理想氣體為工質(zhì)的卡諾致冷循環(huán)的致冷系數(shù)：從圖可見：AQQ12高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩丛叫∫苍叫?要從溫度很低的低溫?zé)嵩粗形崃?，消耗的功多致冷系?shù)：19例：6-4有一卡諾制冷機(jī)，從溫度為-100C的冷藏室吸取熱量，而向溫度為200C的物體放出熱量。設(shè)該制冷機(jī)所耗功率為15kW，問每分鐘從冷藏室吸取熱量為多少？每分鐘作功為：所以每分鐘作功從冷藏室中吸取的熱量為此時,每分鐘向溫度為200C的物體放出的熱量為解：T1=293K, T2=263K,則20奧托熱機(jī)奧托熱機(jī)：德國物理學(xué)家奧托發(fā)明的一種熱機(jī)，以其原理制造的發(fā)動機(jī)現(xiàn)仍在使

8、用。奧托機(jī)的循環(huán)曲線是由兩條絕熱線和兩條等容線構(gòu)成。21例：6-5內(nèi)燃機(jī)的循環(huán)之一：奧托循環(huán)。內(nèi)燃機(jī)利用液體或氣體燃料，直接在氣缸中燃燒，產(chǎn)生巨大的壓強(qiáng)而作功。內(nèi)燃機(jī)的種類很多，我們只舉活塞經(jīng)過四個過程完成一個循環(huán)(如圖)的四動程汽油內(nèi)燃機(jī)(奧托循環(huán))為例。說明整個循環(huán)中各個分過程的特征，并計算這一循環(huán)的效率。pVVV0Oabedcp0奧托機(jī)的循環(huán)曲線由：兩條絕熱線兩條等容線絕熱線22例：6-5解： 奧托循環(huán)的四個分過程如下： (1) 吸入燃料過程 氣缸開始吸入汽油蒸汽及助燃空氣，此時壓強(qiáng)約等于1.0105Pa ，這是個等壓過程（圖中過程ab）pVVV0Oabedcp0(2) 壓縮過程 活塞自

9、下向上移動，將已吸入氣缸內(nèi)的混合氣體加以壓縮，使之體積減小，壓強(qiáng)增大，溫度升高。由于壓縮較快，氣缸散熱較慢，可看作一絕熱過程（圖中過程bc）23例：6-5pVVV0Oabedcp0(5) 排氣過程 開放排氣口，使氣體壓強(qiáng)突然降為大氣壓，這過程近似于一個等體過程（圖中過程eb） 然后再由飛輪的慣性帶動活塞，使之從下向上移動，排出廢氣，這是個等壓過程（圖中過程ba）。(3) 爆炸 在上述高溫壓縮氣體中，用電火花或其他方式引起燃燒爆炸，氣體壓強(qiáng)隨之驟增，由于爆炸時間短促，活塞在這一瞬間移動的距離極小，這近似為等體過程（圖中過程cd）。(4) 作功過程 這一巨大的壓強(qiáng)把活塞向下推動而作功，同時壓強(qiáng)也隨

10、著氣體的膨脹而降低，爆炸后的作功過程(氣缸散熱較慢)可看成絕熱過程（圖中過程de）。24例題：6-5 嚴(yán)格地說，上述內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行的過程不能看作是個循環(huán)過程。因?yàn)檫^程進(jìn)行中，最初的工作物為燃料及空氣。后經(jīng)燃燒，工作物變?yōu)槎趸?，水汽等廢氣，從氣缸向外排出不再回復(fù)到初始狀態(tài)。但因內(nèi)燃機(jī)作功主要是在p-V圖上bcdeb這一封閉曲線所代表的過程中，為了分析與計算的方便，我們可換用空氣作為工作物，經(jīng)歷bcedb這個循環(huán)，而把它叫做空氣奧托循環(huán)。氣體主要在循環(huán)的等體過程cd中吸熱（相當(dāng)于在爆炸中產(chǎn)生的熱），而在等體過程eb中放熱（相當(dāng)于隨廢氣而排出的熱），設(shè)氣體的質(zhì)量為M，摩爾質(zhì)量為Mmol，摩爾定體熱容

11、為Cv，則在等體過程(爆炸)cd中，氣體吸取的熱量Q1為pVVV0Oabedcp025例題：6-5在等體過程eb中放出的熱量:把氣體看作理想氣體，從絕熱過程de及bc可得如下關(guān)系所以這個循環(huán)效率:兩式相減得亦即pVVV0Oabedcp026例：6-5代入效率計算式，可得實(shí)際上汽油機(jī)的效率只有25左右！pVVV0Oabedcp0散熱器冷凍室蒸發(fā)器節(jié)流閥儲液器壓縮機(jī)200C10atm3atm700C100C2QQ1氟利昂家用電冰箱循環(huán)12A高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碤Q(冷凍室)(周圍環(huán)境)壓縮機(jī)將工質(zhì)蒸汽壓縮，工質(zhì)變成高溫高壓的蒸汽蒸汽在散熱器（凝結(jié)器）中凝結(jié)為液體，同時放出大量的熱量。液體經(jīng)節(jié)流閥（湯姆孫效應(yīng)）后溫度下降而吸收熱。28一直敞開冰箱門能制冷整個房間