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1

3、Q热机（热机（正正循环）循环）0W2QWWpVoABAVBVcdW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。小结：热机效率小结：热机效率122111QQQWQ

4、QQ 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组成过程组成 .三三 理想实验理想实验 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.Vop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V 理想气体卡诺循环热机效率的

5、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 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Vo

6、p2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ12431212lnln11VVVVTTQQ 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 ？2121212T1T2W1W2

7、1WW poV讨讨 论论poV2T1T2W1W3T21WW 3 3、提高热机效率的方法。、提高热机效率的方法。121TT使使12/TT越小越好。越小越好。2 2、卡诺热机效率与工作物质无关，只与两热源温度有关。、卡诺热机效率与工作物质无关，只与两热源温度有关。例如：例如：波音飞机不用价格较贵的高标号汽油作燃料，而采波音飞机不用价格较贵的高标号汽油作燃料，而采用航空煤油作燃料。用航空煤油作燃料。 要提高卡诺热机效率应尽量提高高温热源温度或尽量要提高卡诺热机效率应尽量提高高温热源温度或尽量降低低温热源温度。降低低温热源温度。1 1、卡诺机必须有两个热源。、卡诺机必须有两个热源。卡诺热机的工作物质不

8、一定卡诺热机的工作物质不一定是理想气体，可以是其他物质。是理想气体，可以是其他物质。例例 3-4. 3-4. 计算奥托机（计算奥托机（汽油机汽油机）的循环效率。）的循环效率。c d, e b为等容过程；为等容过程； b c，d e为绝热过程。为绝热过程。解解：1,m()VmQCTTMdc2,m()VmQCTTMeb吸热吸热放热放热cdbe1211TTTTQQVoVpVacdeb10d1eVTVT10c1bVTVT10cd1be)()(VTTVTT10cdbeVVTTTT1011VV111rVoVpVacdeb压缩比压缩比r不能大于不能大于10否则容易损坏发动机否则容易损坏发动机狄塞尔循环狄塞尔

9、循环( (定压加热循环定压加热循环) )曲线曲线是由绝热压缩、等压吸是由绝热压缩、等压吸热、绝热膨胀和等容放热线热、绝热膨胀和等容放热线构成。构成。 狄塞尔循环狄塞尔循环( (定压加热循环定压加热循环) )德国工程师狄塞尔于德国工程师狄塞尔于18921892年提出了压缩点火式内燃机的原始设计。所谓压缩年提出了压缩点火式内燃机的原始设计。所谓压缩点火式就是使燃料气体在气缸中被压缩到它的温度超过点火式就是使燃料气体在气缸中被压缩到它的温度超过它自己的点火温度它自己的点火温度( (例如，气缸中气体温度可升高到例如，气缸中气体温度可升高到600-700600-700，而柴油燃点为，而柴油燃点为335)

10、335)。这时燃料气体在气。这时燃料气体在气缸中一面燃烧，一面推动活塞对外作功。缸中一面燃烧，一面推动活塞对外作功。18971897年最早制年最早制成了以煤油为燃料的内燃机，后改用柴油为燃料，这就成了以煤油为燃料的内燃机，后改用柴油为燃料，这就是我们通常所称的是我们通常所称的柴油机柴油机。压缩比压缩比r=VA/VB没有限制所以效率没有限制所以效率可以高于汽油机可以高于汽油机例例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10000J10000