大学物理基础：第三章热力学2

1、3.3.1 3.3.1 循环过程，热机效率循环过程，热机效率, ,卡诺循环卡诺循环定义定义：一系统由某一平衡态出发，经过任意一系列的过程 又回到回到原来的平衡态的整个变化过程。WpVoABAVBVcdWpVoABAVBVcd正循环：正循环：顺时针顺时针，对外净做正功，对外净做正功逆循环：逆循环： 逆时针逆时针，对外净做负功，对外净做负功热机热机制冷机制冷机0E闭合曲线包围的面积特征特征:一一 循环过程循环过程(cycle process)dWW 热机发展简介热机发展简介 1698年萨维利和年萨维利和1705年纽可门先后发明了年纽可门先后发明了蒸蒸汽机汽机 ，当时蒸汽机的效率极低，当时蒸汽机的效

2、率极低 . 1765年瓦特进年瓦特进行了重大改进行了重大改进 ，大大提高了效率，大大提高了效率 . 人们一直在人们一直在为提高热机的效率而努力，为提高热机的效率而努力， 从理论上研究热机从理论上研究热机效率问题，效率问题， 一方面指明了提高效率的方向，一方面指明了提高效率的方向， 另另一方面也推动了热学理论的发展一方面也推动了热学理论的发展 .各种热机的效率各种热机的效率液体燃料火箭液体燃料火箭柴油机柴油机汽油机汽油机蒸汽机蒸汽机%48%8%37%25瓦特：瓦特：“工业革命之父工业革命之父”一个需要巨人并且产生了巨人的时一个需要巨人并且产生了巨人的时代代 1624年，英国就已经开始实施年，英国

3、就已经开始实施垄断法垄断法规规，其中明确规定：把专利权授予最早，其中明确规定：把专利权授予最早的发明者，专利权的对象是新创工业领域的发明者，专利权的对象是新创工业领域中的最早的发明中的最早的发明 。到。到1765年专利制度已经年专利制度已经非常完善非常完善 新的发财之路新的发财之路 对新技术、新发明的狂热崇拜对新技术、新发明的狂热崇拜 瓦特被称为瓦特被称为“工业革命之父工业革命之父” 现代现代“火力发电厂火力发电厂”外貌：外貌：热机热机二二 热机效率和致冷机的致冷系数热机效率和致冷机的致冷系数热机效率热机效率1212111QQQQQQW高温热源高温热源低温热源低温热源1Q热机（热机（正正循环）

4、循环）0W2QWWpVoABAVBVcd热机热机 ：持续地将热量转变为功的机器：持续地将热量转变为功的机器 . 工作物质工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质并对外做功的物质 .W致冷机致冷系数致冷机致冷系数2122QQQWQe致冷机（致冷机（逆逆循环）循环）0W致冷致冷机机高温热源高温热源低温热源低温热源pVoABAVBVcd1Q2QW冰箱循环示意图冰箱循环示意图注注 意意上述计算上述计算热机效率热机效率或者或者制冷系数制冷系数的公式的公式中，中，Q1表示向表示向高温热源高温热源吸收和放出热量吸收和放出热量的的总和总和。Q2表示向表示向低温热

5、源低温热源吸收和放出吸收和放出热量的热量的总和总和。无论系统吸收还是放出的热量无论系统吸收还是放出的热量Q，均用，均用绝对值绝对值表示。表示。提高提高热机效率的途径：热机效率的途径：1 1、热机的效率：热机的效率：2 2、热机效率低的原因热机效率低的原因：3%-5%3%-5%(1)散热、漏气、摩擦等损耗。散热、漏气、摩擦等损耗。(2)一部分热量在低温热源放出。一部分热量在低温热源放出。3、提高热机效率的、提高热机效率的根本途径根本途径：构造循环过程构造循环过程122111QQQWQQQ 讨讨 论论 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

6、组成过程组成 .三三 卡诺循环卡诺循环(Carnot cycle) 低温热源低温热源2T高温热源高温热源1T卡诺热机卡诺热机1Q2QWVop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT 1824 年法国的年青工程师卡诺提出一个工作年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在在两两热源之间的热源之间的理想理想循环循环卡诺卡诺循环循环. 给出了热机给出了热机效率的理论极限值效率的理论极限值; 他还提出了著名的卡诺定理他还提出了著名的卡诺定理.Vop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V 理想气体卡诺循环热机效率的计算理想气体卡诺循环热机效率的计算 A B 等温膨胀等温膨胀 B C

7、 绝热膨胀绝热膨胀 C D 等温压缩等温压缩 D A 绝热压缩绝热压缩卡诺循环卡诺循环21TT abQcdQ2111lnabVmQQRTMVA B 等温膨胀等温膨胀吸吸热热3224lncdVmQQRTMVC D 等温压缩放热等温压缩放热2111lnVmQRTMVVop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ12431212lnln11VVVVTTQQ D A 绝热过程绝热过程214111TVTVB C 绝热过程绝热过程 112132VTVT4312VVVV121TT 卡诺热机效率卡诺热机效率Vop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQ

8、cdQ12431212lnln11VVVVTTQQ 卡诺热机效率与工作卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效差越大，则卡诺循环的效率越高率越高 . Vop2TW1TABCD21TT 高温热源高温热源1T低温热源低温热源2T卡诺致冷机卡诺致冷机1Q2QW 卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机卡诺致冷机致冷致冷系数系数212212TTTQQQe2Q1Q 图中两卡诺循环图中两卡诺循环 吗吗 ？2121212T1T2W1W21WW poV讨讨 论论poV2T1T2W1W3T21WW 小小 结

9、结1 1、绝热、绝热过程过程 3 3、热机的效率热机的效率： 21()VmWEC TTM 2 2、绝热线与等温线比较：、绝热线与等温线比较：CPV CTV 1 CTP 1122111QQQWQQQ 5、提高热机效率的途径。、提高热机效率的途径。6、卡诺循环的热机效率：、卡诺循环的热机效率：121TT7、卡诺逆循环的、卡诺逆循环的制冷系数：制冷系数：2221212QQTWQQTT4 4、制冷系数：、制冷系数：2212QQWQQ例例3-4. 3-4. 计算奥托机的循环效率。计算奥托机的循环效率。c d, e b为等为等容过程；容过程； b c，d e为绝热过程。为绝热过程。解解：1,m()VmQC

10、TTMdc2,m()VmQCTTMeb吸热吸热放热放热cdbe1211TTTTQQVoVpVacdeb10d1eVTVT10c1bVTVT10cd1be)()(VTTVTT10cdbeVVTTTT1011VV111rVoVpVacdeb例例3-5.3-5.理想气体进行卡诺循环，如图中理想气体进行卡诺循环，如图中abcda 所示，所示，当高温热源温度为当高温热源温度为400K，低温热源温度为，低温热源温度为300K时，时，一次循环所作净功一次循环所作净功8000J。若两个循环都工作在相同。若两个循环都工作在相同的两条绝热线上的两条绝热线上, ,维持低温热源温度不变，提高高温维持低温热源温度不变，提高高温热源的温度，使所作净功增加到热源的温度，使所作净功增加到10000J10000J求求