高二物理競賽循環(huán)過程 課件

1、循環(huán)過程(Cyclicalprocess)一、循環(huán)過程物質(zhì)系統(tǒng)從某個狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過若干個不同的變化過程，又回到它的原來狀態(tài)的整個過程稱為循環(huán)過程，或簡稱循環(huán)。循環(huán)中所包括的每一個過程叫做分過程。其物質(zhì)系統(tǒng)亦稱為工作物質(zhì)或簡稱工質(zhì)。1.基本概念各種熱機(jī)(或熱力發(fā)動機(jī))，如蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)等。工質(zhì)經(jīng)過周而復(fù)始的循環(huán)過程持續(xù)不斷地把熱轉(zhuǎn)換為功。如圖所示，一絕熱容器分成相等的兩部分，左半部充以理想氣體，右半部為真空。開始時理想氣體處于平衡狀態(tài)。打開管閂后，氣體沖入右半部，最后達(dá)到新的平衡態(tài)。這一過程稱為氣體向真空的絕熱自由膨脹過程。自由膨脹。由于沒有熱量Q傳遞與外界做功A'，所以內(nèi)能

E

保持不變

由熱力學(xué)第一定律：

Q=0，即E2–E1+A=0由于氣體是向真空膨脹，對外不做功，即A=0，所以E2–E1=0由于理想氣體內(nèi)能只包含分子熱運(yùn)動動能，內(nèi)能不變意味著膨脹前后初態(tài)與末態(tài)溫度相等，即T2=T1

；由初態(tài)、末態(tài)理想氣體狀態(tài)方程可得：由T2=T1

，V2=2V1說明：膨脹前后溫度不變，體積增大一倍，壓強(qiáng)減小1/2。說明：

對于實(shí)際氣體（真實(shí)氣體）經(jīng)絕熱膨脹后，溫度一般不會恢復(fù)到原來溫度，請讀者思考這是為什么？

理想氣體向真空膨脹的過程是一個理想過程，實(shí)際應(yīng)用中可利用實(shí)際氣體向壓強(qiáng)較低的區(qū)域膨脹，例如將實(shí)際氣體通過多孔塞流入相對壓強(qiáng)較小的區(qū)域來改變氣體的溫度。為什么呢？實(shí)際氣體經(jīng)過絕熱自由膨脹后，溫度一般不會恢復(fù)到原來溫度。原因是實(shí)際氣體分子之間存在相互作用力，而內(nèi)能中還包含分子間的勢能。如果在絕熱自由膨脹時，分子間的平均作用力以斥力為主（這要看分子間的平均距離是怎么改變的），則絕熱膨脹后，由于斥力做了正功，分子間勢能要減小。這時，內(nèi)能不變就意味著分子的動能增大，因而氣體的溫度將升高。如果在絕熱自由膨脹時，分子間的平均作用力以引力為主，則絕熱膨脹后，由于引力做了負(fù)功，分子間的勢能要增大。這時，內(nèi)能不變就意味著分子的動能減小，因而氣體的溫度要降低。例3-5-1就所列各個準(zhǔn)靜態(tài)過程，填寫下表中的空格(用“+”、“-”或“0”)＋－－－＋蒸汽機(jī)是加入水以蒸汽為工質(zhì)的循環(huán)熱機(jī)。水泵C將水箱內(nèi)的水唧入鍋爐B后，把水加熱變成高溫、高壓的蒸汽，這是一個吸熱使內(nèi)能增加的過程。蒸汽通過管道進(jìn)入汽缸D，在汽缸D內(nèi)膨脹，推動活塞對外作功；同時蒸汽內(nèi)能減少。在這一過程中，一部分內(nèi)能通過作功轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。最后蒸汽成為廢氣，進(jìn)入冷凝器E，在冷凝器E中通過冷卻水，將廢氣冷卻，放出熱量，凝結(jié)成水，再借水泵C將水唧入水箱，并經(jīng)水泵C再次將水唧入鍋爐B加熱，使蒸汽恢復(fù)原始狀態(tài)，然后再進(jìn)行第二次循環(huán)。2.熱機(jī)循環(huán)的工作原理在熱機(jī)的每一次循環(huán)中，工質(zhì)從高溫?zé)釒煳諢崃?，增加?nèi)能，并將一部分內(nèi)能通過作功轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，另一部分內(nèi)能在低溫?zé)釒熘型ㄟ^放熱（絕對值）而傳給外界，使工質(zhì)又回到原始狀態(tài)。熱機(jī)循環(huán)的p-V圖如果循環(huán)過程中，各個分過程都是準(zhǔn)靜態(tài)過程，則在p-V圖上，工質(zhì)的循環(huán)過程可用一條閉合曲線來表示，如圖所示。循環(huán)曲線abcda為一閉合曲線。循環(huán)過程的特點(diǎn)：工質(zhì)經(jīng)一循環(huán)，內(nèi)能不變，ΔE=03.正循環(huán)和熱機(jī)的效率上圖所示的循環(huán)過程abcda，若沿著順時針方向進(jìn)行，稱為正循環(huán)。注意：任何熱機(jī)都是按正循環(huán)進(jìn)行工作的。(1)凈功：在分過程abc中，氣體膨脹，系統(tǒng)對外界做正功，其大小A1

為abcfea所包圍的面積；在分過程cda中，氣體被壓縮，系統(tǒng)對外界做負(fù)功，即外界對系統(tǒng)做正功，其大小(絕對值)A2

為cfeadc所包圍的面積。因此，在整個正循環(huán)中，系統(tǒng)對外界所作的凈功為A=A1–A2=p-V圖上循環(huán)曲線abcda所包圍的面積。因A1>A2，所以A>0，即在熱機(jī)循環(huán)中，系統(tǒng)對外界作的凈功總是正的。(2)凈熱量：在一個正循環(huán)中，系統(tǒng)從高溫?zé)釒煳盏臒崃繛镼1，向低溫?zé)釒旆懦龅臒崃繛镼2(絕對值)，所以系統(tǒng)從外界吸收的凈熱量為：Q=Q1–Q2>0在一個正循環(huán)中，因內(nèi)能不變，即ΔE=0，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，凈熱量等于凈功，即A=Q1–Q2

(3)熱機(jī)效率：為了表述在一個正循環(huán)中，工質(zhì)所吸收的熱Q1

有多少轉(zhuǎn)化為有用功(即凈功)A，以評價熱機(jī)的工作效益，我們定義熱機(jī)的效率(或正循環(huán)的效率)為：在熱機(jī)循環(huán)中，工質(zhì)總要向外界放出一部分熱量，即Q2不能等于零，所以熱機(jī)效率永遠(yuǎn)是η<1。例如，早期的蒸汽機(jī)效率僅為5%左右。4.逆循環(huán)和致冷機(jī)的致冷系數(shù)如果p-V圖上循環(huán)過程總是沿著adcba逆時針方向進(jìn)行的，則稱為逆循環(huán)。(1)致冷機(jī)工作原理：工質(zhì)作逆循環(huán)的機(jī)器叫做致冷機(jī)(如電冰箱、空調(diào)機(jī)等)。致冷機(jī)與熱機(jī)的循環(huán)過程相反。即依靠外界(如冰箱的壓縮機(jī))對工質(zhì)作功A，使工質(zhì)由低溫?zé)釒?如冰箱的冷庫)吸收熱量，然后向高溫?zé)釒?如大氣)放出熱量(絕對值)，從而使低溫?zé)釒斓臏囟冉档汀?2)致冷機(jī)的致冷系數(shù)在致冷機(jī)內(nèi)工質(zhì)所完成的逆循環(huán)中，熱量可以從低溫?zé)釒靷飨蚋邷責(zé)釒?，但必須以消耗外界的功為代價。由熱力學(xué)第一定律，在一個逆循環(huán)中，因?yàn)棣=0，所以：A外

=Q1–Q2

或Q1

＝A外

+Q2

在一個逆循環(huán)中，工質(zhì)從低溫?zé)釒熘兴〉臒崃縌2

與外界對工質(zhì)所作的功A外的比值稱為致冷機(jī)的致冷系數(shù)以

w表示：若外界作功A外越小、從低溫?zé)釒煳〉臒崃縌2

越多，則致冷機(jī)的致冷系數(shù)越大