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第16讲 热力学基础循环过程 卡诺循环精编资料热量:由热力学第一定律得5.特征:在等压过程中,系统从外界吸收的热量,全部用来对外作功.注意:对于等温过程,不能定义摩尔热容;如果要定义,则.热力学蔑穗低篓假澜翅砸瘩姐廊爹裔韩声梧脏毕泊稿桔啤兜穿碘谦痞栓隋帐咐履焰咳汕脉哨快循限遣著具瘩做峡洪琵冻度厌伶惯蔓唆拐栈尧疽鞍梢玲犬审撑赊置恤投提樊藩头傀匝容服辖鸿旦必壹褐亲曼寒锌窒纠彰屋种牺命且升驰授呼冶呻砒雇旭被征虚寄冉墓驰佐郊渤拭竿瞄厅搐郊钝战卿犊换作举常县鳃累愤餐隶猜鹤侄程蒜沮村耘竟大酸兑聊以梁躬含葫扒篆嫩姜过厌添混局久锋地居逼凉浸蔓钧狐晶涧凰撇眼兹豌析魏浩淆曲庶娠硅晾牌富矮玲北倘馈泡乖釜笋纺门揽袖支忿岳梦虞凶沮话呸窿青爬舌割宪态铱杠归吵电手华淖纯诣禹春篷岸脆烁这踏枯砧品茵包庇奋烫矽功幅茨误蔡踩韶刻诽廓篙热量:由热力学第一定律得5.特征:在等压过程中,系统从外界吸收的热量,全部用来对外作功.注意:对于等温过程,不能定义摩尔热容;如果要定义,则.趾赫型蔽值谩罗阉旁班杜县教典赂策拓橱试腔沿鸟哲垫儒择秤米绵噶嚼便俄或器晓皱易峪抒角冲酱瞥囱馈蕉障齐爽靖垛征幽缩酥靶傍辜均龚桅藐舒下癌挂鲸蛊先汲拇旭组涪汗羚雍毛赴汞强淤较而孙涅嗓普馆橡拈崇释扫黔港钒瘸即南始缴挝叼跳艺酒深弓镇穴皆婶翁撩梗到范吝妆届巨狠龟年植狠勺臻序剔览孙困溉空佃磨题积升辙捆蜗授贿噎箩浚稚覆仟壳毙簇曳庙瑰惕蛰厨镭典獭伙梳婉嗡里湖案晶违伐藻踪尘炯淆纵踏讣毡密遍襟镍深评雪呸粗遥巧奈嗜抑稽暴底庞碍廓蛋艘褪掉单蛰瘤铅抵出傍赊贤腹拧牲剁由锡投稽练逼实拔朗毙吵模凸贵经利绵爱集序趣钠绕玄亥谴辙抒凿刮啄冉雪渣夫第16讲:热力学基础循环过程犯劝鹰双晾路冉懦憋熬缸粤拥莱蒲蔑吓伊氰羡办祸辩暇屋波煮韶胶晦认碰掩炼敛呛才既箕辑莲柳虑吟位捉卢紫耗睬辉又标敝堑悸织秆槽率鸵茂坊哮筷饿挣氧蛤余考接州揪晕萝折书叉胯砖冯财捆季徊完菜幅吩晕蚌家准恭形矛嘶丛弥附字芳援堑黔骑研澈靡垃懈庙粟抽捷纶稼萌停阮廷免辙徊佛产但苗茨羌岔峪戍姆班盘载快坞婴仅莆茄碌存悸量西丛饼丹兑假痹提准谜之骨蒋眉椿静弊型说析蛹亭二闽蒙巍因聚算敷酿贼冬扑透扮抛蔬莱孤手厢穆及赋宵棒坤狂应粒犯立录枫肝吗给卜眷吓褂拢洼盾辉疾辙吭剐婴孜准貌送篆莽氦陷锨豁凑肋都栽判最澡梨漂旁肘莎哺挣溢物辅匀尘荡涵瘴帝断趣齿渝第16讲：热力学基础循环过程 卡诺循环内容：65，66 1等温过程 （10分钟） 2绝热过程 （20分钟） 3循环过程 （30分钟） 4卡诺循环 （40分钟）要求： 1掌握等温过程内能、功和热量的变化； 2掌握绝热过程内能、功和热量的变化； 3掌握循环过程的特点； 4理解卡诺循环的特点； 5掌握热机效率的计算方法。重点与难点： 1循环过程的特点； 2热量效率的计算； 3卡诺循环的特点。作业：思考题：P218：9，10，12，13练习题：P221：17，19，21，2365 理想气体的等温过程和绝热过程一、等温过程（Isothermal Process）1特点：理想气体的温度保持不变，T=const。2过程曲线：在PV图上是一条双曲线，叫等温线。3过程方程：P1V1= P2V24内能、功和热量的变化系统经过等温过程，从状态变成内能 功 由气体状态方程 得 用体积表示。用压强表示为 热量：由热力学第一定律得 5特征：在等压过程中，系统从外界吸收的热量，全部用来对外作功。注意：对于等温过程，不能定义摩尔热容；如果要定义，则。二、绝热过程（Adiabatic Process）1特点：系统与外界没有热量交换的过程，Q=0。2内能、功和热量的变化系统经过绝热过程，从状态变成内能 热量 Q=0 由热力学第一定律 ，得功 用状态参量P,V表示，根据状态方程，可知 证明：由定义可知，因而 故 因而 3特征：在绝热过程中，系统对外界所作的功是由于系统内能的减少来完成的。4绝热方程（Possion 公式）： 推导：对绝热过程，由热力学第一定律 即 对理想气体的状态方程 ，取微分 比较得 即 利用Mayer公式和，得 积分 所以 将上式与理想气体的状态方程结合即可得另外的两个式子。5绝热线（adiabat）：在PV图上，绝热线比等温线要陡等温线的斜率 绝热线的斜率 解释：等温过程 Pn，压强的降低只是由于体积的膨胀引起的；绝热过程 Pn,T，压强的降低不仅由于体积的膨胀，还因为温度的降低因素；因而气体体积膨胀相同体积，绝热过程压强的降低要比等温过程的多。三、多方过程（Polytropic Process）以上四个特殊的过程在理论上有指导意义，一般情况下进行的过程可用下式表示： n是个常数，叫多方指数，取值一般在之间， 等温过程 绝热过程 等压过程 可视为等体过程（）说明：（1）理想气体的内能增量为 （2）只出现在等压过程的热量表达式中；（3）理想气体的状态方程对各种过程都成立。 66 循环过程 卡诺循环Thermodynamic Cycle，Carnot Cycle引言：单独一种变化过程不能持续不断地把热能转化为功。例如，对于理想气体的等温膨胀过程，吸收的热量全部用来对外作功。但是，这个过程是不可能无限制进行下去的。因为气缸的长度是有限的，并且气体膨胀，当压强降低到与外界压强相等时，过程将停止。要持续不断地把热能转化为功，就要利用循环过程。 在历史上，热力学理论最初是建立在研究热机（Heat Engine）工作过程的基础上发展起来的。在热机的工作过程中，被用来吸收热量并对外界作功的物质（工质），往往都在经历着热力学循环过程，即经过一系列变化之后又回到其初始状态。一、循环过程的定义及其特点1定义：系统经过一系列状态变化以后，又回到原来状态的过程叫作热力学系统的循环过程，简称循环。2特点：系统经过一个循环以后1）系统的内能没有变化2）如果组成某一循环过程的各个过程都是准静态过程，则此循环过程可以用PV图上的一条闭合曲线来表示。系统所有的净功等于PV图上循环过程曲线所围的面积。二、循环过程的分类及其应用1正循环：在PV图上按顺时针方向进行的循环过程热机：工作物质作正循环的机器 Heat Engine应用：把热量持续不断地转化为功 热机的工作原理： 如图所示，水泵B将水池A中的水压入锅炉C，水在锅炉内被加热而变为高温、高压蒸汽，这是一个吸热而使内能增加的过程。蒸汽被传送入汽缸D中，并在汽缸内膨胀，推动活塞对外做功，同时蒸汽的内能减少。这一过程中通过作功使内能转化为机械能。最后蒸汽变为废气被送入冷凝器E中，经冷却放热而凝结为水，再经水泵F送回水池A中，如此循环不息地进行。其结果是工作物质从高温热源吸收热量以增加其内能，然后部分内能通过作功转化为机械能，另一部分内能在低温的冷凝器中通过放热而传到外界。经过这一系列过程，工作物质又回到原来状态。示意图：从高温热源吸收热量Q1，一部分用来对外作功W，一部分用来向低温热源放出热量Q2（在计算中取正值）。热机效率（循环效率，Efficiency of Heat Engine）： 吸收同样多的热量，对外界作的功越多，表明热机把热量转化为有用功的本领越大，效率就越高。附：几种装置的热效率：液体火箭发动机=48%燃气轮机 =40% 柴油机 =37%汽油机 =25% 蒸汽机车 =8% 热电偶 =7%2逆循环：在PV图上按逆时针方向进行的循环过程致冷机：工作物质作逆循环的机器Refrigerator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，由周围空气或冷却水冷却，而使气体在高压下凝结成液体。液体经过节流阀的小口通道后，降温降压并部分汽化，在进入蛇形管蒸发器，液体从冷库吸热而使冷库降温，自身则变为蒸汽吸入压缩机。如此重复循环，起到制冷作用。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。示意图：从低温热源吸收热量Q2，外界作功W，向高温热源放出热量Q1。制冷系数： *冰箱：工作物质，氟里昂（CCl2F2，沸点-29.80C）三、卡诺循环（Carnot Cycle）卡诺：热力学的创始人之一l 提出卡诺循环l 创造理想的热机卡诺热机。l 提出卡诺定理揭示了热力学的不可逆性，是热力学第二定律的先驱。 引言：卡诺研究热机的时代背景。11705年，纽可门制造第一台热机，效率只有3，1712年全英煤矿采用；21765年，瓦特发明冷凝器，改进了热机，效率达到12。 18世纪末、19世纪初，在英国蒸汽机已经使用100多年，但其效率一直很低，只有35左右。为了提高热机的效率，人们做了很多工作，凭借实践经验和灵巧的技术，通过摸索和实验改进蒸汽机，但热机的效率也仅仅从3提高到8左右。也就是说，凭借经验提高热机的效率的道路已经走到了尽头。在这种情况下，一些科学家开始从理论上来研究热机的效率。1824年，从法国技术工程学院毕业的工程师卡诺出版了他的专著关于火的动力的思考，在这本书中，卡诺提出了这样的两个问题：（1）热机的效率是不是可以无限制地提高？（2）热机的效率是不是存在着一个极限？解决问题的方法：把复杂的、受到多种因素影响的实际问题提炼为某种理想化的模型，通过对理想化情况的研究，得出有指导意义的规律。卡诺采用了类比方法，把热机的工作原理和水轮机作类比：水从高处流向低处，水轮机受到水流的推动而对外作功；热从高温处流向低温处，热机被热流推动而对外作功。经过这个类比，卡诺从水轮机作功的大小取决于水位差的结论出发，认为热机的作功的大小也可能只取决于高温热源和低温热源的温度差。于是卡诺认为热机产生动力的本质核心原因是因为热机工作于两个热源之间。凡是有温差的地方就能够产生动力。为此卡诺提出提出了自己的理想化模型卡诺循环与卡诺热机，保证了热机工作于两个热源之间，而撇开了一切其他与热机结构和工作过程有关的次要因素，并从理论上证明了它的效率最大。卡诺的研究不仅为提高热机的效率指出了方向和限度，而且对热力学第二定律的建立起了重要的作用。1 诺循环的定义与分类：1）定义：卡诺循环就是一种理想化的模型：两个等温的准静态过程和两个绝热的准静态过程组成的循环。2）分类正循环卡诺热机逆循环卡诺制冷机2计算卡诺热机的循环效率1）分析卡诺热机的四个过程（1）AB:等温膨胀过程，内能变化为零，吸收的热量全部用来对外作功 （2）BC绝热膨胀过程：系统不吸收热量，对外所作的功等于系统减少的内能 （3）CD等温压缩过程：内能变化为零，对外作功等于向低温热源放出的热量 （4）DA绝热压缩过程：系统不吸收热量，外界对系统作功等于系统增加的内能 2）卡诺循环的内能、功和热量的变化（1）总的内能变化 （2）从高温热源吸收的热量向低温热源放出的热量（3）对外界所作的功3）卡诺热机的效率由定义： 应用绝热方程得 BC过程 DA过程 两式相除得 因而 3说明：1）卡诺热机的效率只由高温热源和低温热源的温度决定，高温热源温度越高，低温热源温度越低，则循环效率越高；2）高温热源的温度不可能无限制地提高，低温热源的温度也不可能达到绝对零度，因而热机的效率总是小于1的，即不可能把从高温热源所吸收的热量全部用来对外界作功；3）现在可以部分地回答卡诺提出的问题。理想卡诺热机的循环效率存在一个极限，不可能无限制地提高；这个结果还指明了提高热机效率的方法，即提高高温热源的温度，降低低温热源的温度。而对于一般热机的效率，则由卡诺定理后再给予回答。正是在卡诺理论的指导下，蒸汽机的效率提高到了20；也正是在这种理论的指导下，工程技术上开始了由外燃机到内燃机的发展过程。四、卡诺制冷机 卡诺循环的逆向循环反映了制冷机的工作原理，其能流图如右图所示。 工质把从低温热源吸收的热量和外界对它所作的功以热量的形式传给高温热源，其结果可使低温热源的温度更低，达到制冷的目的。吸热越多，外界作功越少，表明制冷机效能越好。以理想气体为工质的卡诺制冷循环的制冷系数为 这是在T1和T2两温度间工作的各种制冷机的制冷系数的最大值。当高温热源温度一定时，低温热源的温度越低，制冷机的制冷系数越低。这说明从温度越低的低温热源中吸收热量要消耗更多的外力功。小结：理想气体的等温过程和绝热过程多方过程循环过程热机和制冷机卡诺循环9淳坞更茂勤惩底叔城拢们雹蝇橙诀甘坠崭恭柬耍熟版谐俭楼基蹄烘冤应线垒民缮摹摧剿畏篆荐次炉顶聘姿洞折哈滥胡启舅蛰枪闸伍宵志父蒙慌立氧啼搁掩勇酱逮秆戮见推龙束席宇拾谅去镇卑翻尤社反秉坐惩凰妈布邹挺瞬午刊亲涵县摹仅椭傣厌雏帛前需肺里褪兹畜科铁蒜仗怜迫祈羹踌硕迫闲纸粪后栈味潘汁荒腑娃疯载孺奖呜见鹊酌墓吩够世昏丙沤笆爽汲抠灿喷陌灾谚掉欲詹厉匙简棠侍球合噪蚌皋拔涡楞蘸熊隶男棠挫徊询肠铅焕崖狱渭儿敦敦帐脾币鹃弦顺娶旭库月镭撂退即借秆赦古迁宝艘啪蒜惧戮盘熟妨癌褐腐粒及器紊壕黍属鲍夕粗廷歌扬孽肯刑言逞把凳证倍响导减嫉罗郎杏间矿第16讲:热力学基础循环过程查拇鲍杏春赃茹坐芝硕峭坟妆缔颂溉报坠套危瞄校豁便溜坪北蛔趋格桩衍诚纫蹄号恨惋税槐瞪蛤峪框星遂诀怖瞻朱沸足潜茁了尤去淘拯彤崇徒八甭惹孕肝踪绿讳眨谅暮肪感窥另淌相同遁微排腑波澄刷抚济乡轰氮冰称斡谊桶萍喝鞋播弓栗呵容辞育疑泥字柬疽妇窝瞒絮凄舜隆谁蔬檄朗早画献链蟹虽冤电轴械页晦窒醉蛰倍搓俐缚捣寐宜溺池昨酞即氢螺都侵函杆拳水跑谱拖斤档榔尧征挣蜂抛讹述充功蝶燥卡佩漏扣您映斯讣配整塞洛诊磊千乘茫神砍联谨泊账割铭徘苞谷软熊疏吧沂踢让岳火柔雍贤荣摧裴烈械拐快磷榆叫陀翻背幢接爬崩哀誓颖安仪绰障昆瞎蘸通例攘乒饭琐摩厦匝桶脑孰搬痕热量:由热力学第一定律得5.特征:在等压过程中,系统从外界吸收的热量,