第8章熱力學第一定律2(循環(huán)修定)

在生產(chǎn)技術上，很多機器需要通過物質(zhì)系統(tǒng)把熱與功之間的轉(zhuǎn)換持續(xù)不斷地進行下去，這就需要利用循環(huán)過程來完成。一個系統(tǒng)從某個狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列狀態(tài)變化，又回到初始狀態(tài)的整個過程稱為循環(huán)過程，簡稱循環(huán)。8.5循環(huán)過程

各種熱機利用熱來做功，如蒸汽機、內(nèi)燃機、汽輪機等。工質(zhì)經(jīng)過周而復始的循環(huán)過程持續(xù)不斷地把熱轉(zhuǎn)換為功。循環(huán)工作的物質(zhì)稱為工作物質(zhì)，簡稱工質(zhì)。西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

1、概念：

若循環(huán)的每一階段都是準靜態(tài)過程，則此循環(huán)可用p-V圖上的一條閉合曲線表示。沿反時針方向進行的循環(huán)稱為逆（致冷）循環(huán)。沿順時針方向進行的循環(huán)稱為正(熱)循環(huán)。循環(huán)POVMNabCAdPOVMNabCdA正(熱)循環(huán)逆（致冷）循環(huán)西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

POVMNabCdA3、熱力學第一定律總吸熱（取絕對值）總放熱2、循環(huán)過程的特點：任何熱機都是按正循環(huán)進行工作的系統(tǒng)對外界所作的凈功為

工質(zhì)經(jīng)一循環(huán)，內(nèi)能不變。Q1Q2西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

4、熱機及其效率POVMNabCdA熱機效率熱機（正循環(huán)）熱機效率η永遠是小于1的。Q1Q2西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

【例題】計算汽油機的效率。汽油機是內(nèi)燃機的一種。內(nèi)燃機是燃料在汽缸內(nèi)燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體，推動活塞并輸出動力的機械。1872年，德國工程師奧托（N.A.Otto，1832–1891）研制成功了第一臺四沖程活塞式煤氣內(nèi)燃機。1883年，德國人戴姆勒（G.Daimler，1834–1900）成功地制造出了第一臺汽油內(nèi)燃機。奧托循環(huán)由吸氣過程、壓縮過程、膨脹做功過程和排氣過程這四個沖程構成。

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ab：等壓過程1、bc—絕熱過程2、cd—等容過程3、de—絕熱過程4、eb—等容過程奧托循環(huán)POP0V0VVabedcQ1Q2西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

單缸四沖程汽油機構造圖西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

cd過程吸熱為:eb過程放熱為:所以，循環(huán)效率為:又過程de和bc有如下關系:圖8–15奧托循環(huán)POP0V0VVabedcQ1Q2西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

解:r:壓縮比西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

可見，奧托循環(huán)的效率決定于壓縮比。8.6卡諾循環(huán)薩迪．卡諾

(N.L.S.Carnot,1796-1832)

由兩個準靜態(tài)等溫過程和兩個準靜態(tài)絕熱過程所組成。

1824年法國的年青工程師卡諾對熱機的最大可能效率問題進行理論研究提出的一個理想循環(huán)—卡諾循環(huán)，它給出了熱機效率的理論極限值。以理想氣體為工作物質(zhì)該循環(huán)：工質(zhì)在兩個恒定的高、低溫熱源之間工作。西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

Aabcd低溫熱源高溫熱源卡諾熱機西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

a→b：等溫膨脹，吸熱；b→c：

絕熱膨脹；c→d：等溫壓縮，放熱；d→a：絕熱壓縮：Aabcd以上四式相加：西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

Aabcdc—d

等溫壓縮放熱

d—a絕熱過程b—c

絕熱過程

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a—b等溫膨脹吸熱Aabcd西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

（1）要完成循環(huán)，必須有高溫熱源和低溫熱源。（3）卡諾熱機的效率。討論（2）卡諾循環(huán)的效率只與兩個熱源溫度有關。而與工質(zhì)性質(zhì)無關。提高效率的途徑是提高高溫熱源的溫度或降低低溫熱源的溫度。而通常后一種辦法是不經(jīng)濟的。

（4）在相同高溫熱源和低溫熱源之間的工作的一切熱機中，卡諾循環(huán)的效率最高。（5）由卡諾循環(huán)可以定義熱力學溫標。

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圖中兩卡諾循環(huán)嗎？思考題西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

高溫熱源低溫熱源卡諾致冷機8.7致冷循環(huán)

工質(zhì)把從低溫熱源吸收的熱量Q2和外界對它所作的功A

以熱量的形式傳給高溫熱源Q1

。西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

——逆循環(huán)bcdaA卡諾致冷機POVMNabCAd致冷機致冷系數(shù)Q1Q2西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

(一)等溫膨脹過程(d-c)吸熱(三)等溫壓縮過程(b-a)放熱(二)絕熱壓縮過程(c-b)(四)絕熱膨脹過程（a-d）卡諾致冷機致冷系數(shù)：西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

家用電冰箱工作原理圖A西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

【例題】一電冰箱在氣溫為40oC的房間內(nèi)工作，保持結冰室內(nèi)的溫度為–10℃，由于冰箱壁的絕熱層不是理想的，結冰室每小時自房間內(nèi)吸收熱量3×105J，假設冷凍裝置是卡諾致冷機，問冷凍機的電動機每小時消耗多少能量?解：西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

例已知2mol氦氣先等壓膨脹體積倍增，后絕熱膨脹至原溫度。1）畫P—V圖；pVABCo20402）在這過程中氦氣吸熱。3）

A-B-C過程氦氣的內(nèi)能變化4）A-B-C過程氣體做的總功解：西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

【例題】如圖所示，設有一摩爾的雙原子分子理想氣體作abca的循環(huán)過程（bc為絕熱線），P0、V0均為已知。求：（1）氣體在各過程中所傳遞的熱量；（2）一循環(huán)中氣體所作的凈功；（3）循環(huán)效率。解(1):a—b，等體吸熱西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

b—c絕熱：c—a等壓：（2）一循環(huán)中氣體所作的凈功：（3）循環(huán)效率：放熱西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

Op123V解1):1—2

【例題】

1mol雙原子分子理想氣體經(jīng)過如圖的過程，其中1—2為直線過程、2—3為絕熱過程、3—1為等溫過程。已知T1,T2=2T1,V3=8V1.求：1）各過程的功、熱量和內(nèi)能變化；2）此循環(huán)熱機效率。西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

2—33—1Op123V解:2）循環(huán)的效率：西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

【例題】如圖所示，設有一摩爾的雙原子分子理想氣體作abca的循環(huán)過程（bc為等溫線），P0，V0均為已知,求：（1）氣體在各過程中所傳遞的熱量；（2）一循環(huán)中氣體所作的功；（3）循環(huán)效率。（Ln2=0.69）西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

【例題】如圖所示，設有1mol雙原子分子理想氣體作abca的循環(huán)過程（ca為等溫過程）。求：（1）氣體在各個過程中所傳遞的熱量；（2）一循環(huán)中氣體對外界所作的凈功；（3）循環(huán)效率。西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

1.準靜態(tài)過程從一個平衡態(tài)到另一平衡態(tài)所經(jīng)過的每一中間狀態(tài)均可近似當作平衡態(tài)的過程。準靜態(tài)過程在平衡態(tài)p–V圖上可用一條曲線來表示2.準靜態(tài)過程功的計算本章小結（功是過程量）西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

3.熱量：

熱量是高溫物體向低溫物體傳遞的能量.（熱量也是過程量）摩爾熱容：1mol理想氣體溫度升高1度所吸收的熱量.（與具體的過程有關）邁耶公式比熱容比：西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

理想氣體內(nèi)能變化與的關系5.熱力學第一定律系統(tǒng)從外界吸收的熱量，一部分使系統(tǒng)的內(nèi)能增加，另一部分使系統(tǒng)對外界做功.Q=E2-E1+A對于無限小過程

dQ

=dE

+dA（注意：各物理量符號的規(guī)定）

4.理想氣體的內(nèi)能：理想氣體不考慮分子間的相互作用，其內(nèi)能只是分子的無規(guī)則運動能量的總和，是溫度的單值函數(shù).內(nèi)能是狀態(tài)量

E=E(T)西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

等體等壓等溫絕熱過程過程特點過程方程熱一律內(nèi)能變化摩爾熱容西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

6.循環(huán):系統(tǒng)經(jīng)過一系列狀態(tài)變化后，又回到原來的狀態(tài)的過程叫循環(huán).循環(huán)可用p—V圖上的一條閉合曲線表示.

熱機效率

熱機:順時針方向進行的循環(huán)致冷系數(shù)

致冷機:逆時針方向進行的循環(huán)卡諾熱機效率卡諾致冷機致冷系數(shù)

卡諾循環(huán):

系統(tǒng)只和兩個恒溫熱源進行熱交換的準靜態(tài)循環(huán)過程.西南大學大學基礎物理學第八章熱力學第一定律

微觀粒子