循环过程与卡诺循环ppt课件

1、8 循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环 热力学系统阅历了一系列热力学热力学系统阅历了一系列热力学过程后又回到初始形状，这个过程为循环过程。过程后又回到初始形状，这个过程为循环过程。 循环过程中每一个形状都是由热循环过程中每一个形状都是由热平衡态构成的，这个过程为准静循环过程。平衡态构成的，这个过程为准静循环过程。进展循环的热力学系统叫任务物质。进展循环的热力学系统叫任务物质。P-VP-V图循环曲线顺时针。图循环曲线顺时针。P-VP-V图逆时针。图逆时针。oPV正循环正循环吸Q放QWoPV逆循环逆循环吸Q放QW1.什么是热机 把热能转换为机械能的安把热能转换为机械能的安装称为热机，如蒸汽机、内

2、燃装称为热机，如蒸汽机、内燃机等。机等。Vop2TW1TABCD21TT abQcdQ在正循环中，系统对外作功，在正循环中，系统对外作功，可提供动力能源；在逆循环中，可提供动力能源；在逆循环中，外界对系统作功。系统向外界外界对系统作功。系统向外界放出热量，使一定区域内的温放出热量，使一定区域内的温度降低，可用来致冷。度降低，可用来致冷。循环曲线所包围的面积为系循环曲线所包围的面积为系统作的净功。统作的净功。经过一个循环，内能不变。经过一个循环，内能不变。oPV正循环正循环吸Q放QW高温热源高温热源T1T1低温热源低温热源T2T2热机W放Q吸Q吸QW3.3.热机效率热机效率, |放吸QQW由能量

3、守恒由能量守恒 在热机任务的一个循环过程在热机任务的一个循环过程中，吸收的热量转化为机械功的中，吸收的热量转化为机械功的百分比称为该热机的效率。百分比称为该热机的效率。|QQWQQ吸放吸吸适用于一适用于一切的热机。切的热机。吸放QQ|1 12.2.任务表示图任务表示图 任务物质从高温热源汲取热任务物质从高温热源汲取热量，内能添加，经过对外作功使量，内能添加，经过对外作功使内能减小，再经过向低温热源放内能减小，再经过向低温热源放热，系统内能进一步减小而回到热，系统内能进一步减小而回到原来的形状。原来的形状。功和热的量值普通均指绝对值。功和热的量值普通均指绝对值。 致冷机是逆循环任务的，致冷机是逆

4、循环任务的，是经过外界作功将低温源的热是经过外界作功将低温源的热量传送到高温源中。使低温源量传送到高温源中。使低温源温度降低。温度降低。oPV逆循环逆循环吸Q放QW例如电冰箱、空调都属于致冷机。例如电冰箱、空调都属于致冷机。1.什么是致冷机高温热源高温热源T1T1低温热源低温热源T2T2致冷机W放Q吸Q2.任务表示图 致冷机是经过外界作功致冷机是经过外界作功将低温源的热量传送到高温将低温源的热量传送到高温源中，使低温源温度降低。源中，使低温源温度降低。由能量守恒由能量守恒吸放QQW|WQ吸 在热能转化为机械能的运用方面，到在热能转化为机械能的运用方面，到1818世纪末，瓦世纪末，瓦特完善了蒸汽

5、机，使之成为真正的动力机械，但效率很低。特完善了蒸汽机，使之成为真正的动力机械，但效率很低。18241824年，法国炮兵军官萨地年，法国炮兵军官萨地. .卡诺首先认识到蒸汽机真正卡诺首先认识到蒸汽机真正的动力来源是吸的热，并提出一种理想热机，以提高热机的动力来源是吸的热，并提出一种理想热机，以提高热机的效率和经济效益。的效率和经济效益。吸放吸QQQ|WQ吸适用于一切致冷机。适用于一切致冷机。3.致冷系数 假设外界做一定的功，从低假设外界做一定的功，从低温源汲取的热量越多，致冷效率温源汲取的热量越多，致冷效率越大。越大。高温热源高温热源T1T1低温热源低温热源T2T2致冷机W放Q吸Q1.卡诺循环

6、是由两个卡诺循环是由两个(准静准静态态)等温过程和两个等温过程和两个(准静准静态态)绝热过程组成绝热过程组成2.需求两个热源，高温热源 T1 和低温热源 T2 。3.不计摩擦、热损失及漏气，视为理想热机。 A B 等温膨胀等温膨胀 B C 绝热膨胀绝热膨胀 C D 等温紧缩等温紧缩 D A 绝热紧缩绝热紧缩五、卡诺正循环五、卡诺正循环卡诺热机卡诺热机Vop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ如今讨论以理想气体为任务物质的卡诺循环的效率。如今讨论以理想气体为任务物质的卡诺循环的效率。3224lncdVMQQRTVC D 等温紧缩放热等温紧缩放热Vop2TW1T

7、ABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ12431212lnln11VVVVTTQQ D A 绝热过程绝热过程214111TVTVB C 绝热过程绝热过程 2111lnabVMQQRTVA B 等温膨胀吸热等温膨胀吸热112132VTVT4312VVVV1212111QQTTWQQT 卡诺热机效率卡诺热机效率Vop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ12431212lnln11VVVVTTQQ 2只适用于卡诺机。只适用于卡诺机。1 1Q1Q1指从高温热源指从高温热源T1T1吸热，吸热， Q2Q2指对低温热源指对低温热源T2T2放热的绝放

8、热的绝对值。对值。WW指作功的绝对值。指作功的绝对值。3 3卡诺热机效率与任务物卡诺热机效率与任务物质无关，只与两个热源的温度质无关，只与两个热源的温度有关。有关。 214111TVTV112132VTVT例例2 2：两个循环过程，过程：两个循环过程，过程1 12 1 12 等温、等温、23 23 绝热、绝热、34 34 等压、等压、41 41 绝热。过程绝热。过程2 12 2 12 等温、等温、2323 等容、等容、3 344等压、等压、41 41 绝绝热。试比较哪个过程热机效率高。热。试比较哪个过程热机效率高。PVo12343等温线绝热线12例例1 图中两卡诺循环图中两卡诺循环 吗吗 ？2

9、121212T1T2W1W21WWpoVpoV2T1T2W1W3T21WW卡诺致冷机致冷系数卡诺致冷机致冷系数212QQTWQQTT吸吸吸放Vop2TW1TABCD21TT 2Q1Q六、卡诺逆循环六、卡诺逆循环卡诺致冷机卡诺致冷机 (2)只适用于卡诺机。只适用于卡诺机。(1)Q1(1)Q1指对高温热源指对高温热源T1T1放热放热的绝对值，的绝对值， Q2 Q2指从低温热指从低温热源源T2T2吸热。吸热。WW指作功的绝对指作功的绝对值。值。(3)(3)卡诺机致冷系数只与两个热源的温度有关。卡诺机致冷系数只与两个热源的温度有关。 3 3、提高热机效率的方法。、提高热机效率的方法。121TT使使12

10、/TT越小越好。越小越好。2 2、卡诺热机效率与任务物质无关，只与两热源温度有关。、卡诺热机效率与任务物质无关，只与两热源温度有关。例如：波音飞机不用价钱较贵的高标号汽油作燃料，而采例如：波音飞机不用价钱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、卡诺机必需有两个热源。卡诺热机的任务物质不一定、卡诺机必需有两个热源。卡诺热机的任务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。 而低温热源的温度常是室温或江、河、地下水的

11、水温而低温热源的温度常是室温或江、河、地下水的水温 ， 所以，提高热机效率的主要途径是升高高温热源温度。所以，提高热机效率的主要途径是升高高温热源温度。 通常，蒸汽机中加上一过热器，使湿蒸汽变为干蒸汽，通常，蒸汽机中加上一过热器，使湿蒸汽变为干蒸汽，不仅利于它在绝热膨胀降温后不会有水冷凝出不仅利于它在绝热膨胀降温后不会有水冷凝出 ，而且这样能有效升高蒸汽压强，以便升高蒸汽温度。而且这样能有效升高蒸汽压强，以便升高蒸汽温度。 目前目前3030万万kWkW汽轮机的蒸汽压强在汽轮机的蒸汽压强在20Mpa20Mpa以上，蒸汽温度以上，蒸汽温度为为400 400 以上，这种蒸汽称为亚临界形状的蒸汽，其排

12、气以上，这种蒸汽称为亚临界形状的蒸汽，其排气温度约温度约200200，热机效率为，热机效率为35-40%35-40%。超大型的汽轮机的高。超大型的汽轮机的高温蒸汽将处于超临界形状，其效率将更高。温蒸汽将处于超临界形状，其效率将更高。 蒸汽机中，任务物质水蒸汽机中，任务物质水在每一次循环中都把向高温在每一次循环中都把向高温热源吸收的热量中的一部分热源吸收的热量中的一部分用于气缸对外作功，其他的用于气缸对外作功，其他的能量那么以热量方式向低温能量那么以热量方式向低温热源释放。热源释放。普通热机有蒸汽机、内燃机等。普通热机有蒸汽机、内燃机等。 内燃机将燃料熄灭过程移到汽缸内部，与蒸汽机相比内燃机将燃

13、料熄灭过程移到汽缸内部，与蒸汽机相比较可明显升高高温热源温度，其温度可达较可明显升高高温热源温度，其温度可达800 800 以上，因以上，因此效率将高于蒸汽机。内燃机主要有奥托循环与狄塞尔循此效率将高于蒸汽机。内燃机主要有奥托循环与狄塞尔循环两种方式。环两种方式。 蒸汽机：如图，为一简蒸汽机：如图，为一简单的活塞式蒸汽机的流程图。单的活塞式蒸汽机的流程图。 内燃机：使燃料在气缸中熄灭，以熄灭的气体为任务内燃机：使燃料在气缸中熄灭，以熄灭的气体为任务物质，推进活塞作功的机械。物质，推进活塞作功的机械。例例3 3：奥托机的循环曲线是由：奥托机的循环曲线是由两条绝热线和两条等容线构两条绝热线和两条等

14、容线构成。成。 证明：热机效率为证明：热机效率为1211VVa1VDCBA2V吸气排气绝热线VPo 内燃机主要有奥托循环与狄塞尔循环两种方式。内燃机主要有奥托循环与狄塞尔循环两种方式。 奥托循环奥托循环( (定体加热循环定体加热循环) ) 德国工程师奥托于德国工程师奥托于18761876年仿效卡诺循环设计运用气体燃料的火花塞点火式四冲程年仿效卡诺循环设计运用气体燃料的火花塞点火式四冲程内燃机。内燃机。 所运用的任务物质主要是天然气体及汽油蒸汽，所运用的任务物质主要是天然气体及汽油蒸汽，这种内燃机也称为汽油机。这种内燃机也称为汽油机。解：解：2-3为等容吸热过程)(23TTCMQV吸4-1为等容

15、放热过程14()VMQCTT 放热机效率热机效率1QQ 放吸4132()1()VVMCTTMCTT 23141TTTTa1VDCBA2V吸气排气绝热线VPo21121TTVV3-4为绝热膨胀过程412311TVTV34121TTVV34121TTVV2314TTTT211112TVTV21TT23141TTTT1211VV1-2为绝热紧缩过程CTV1证毕证毕14 .1811%5656.0可见可见K K 越大，效率越高。越大，效率越高。讨论：讨论： 普通为普通为 8 8 ，如采用双原子分子气体为任务物质，在，如采用双原子分子气体为任务物质，在理想的情况下，其热机效率为：理想的情况下，其热机效率为

16、：21VkV称为绝热容积紧缩比称为绝热容积紧缩比但过大的但过大的 K K 将引起所谓爆震景象，对机件保养不利。将引起所谓爆震景象，对机件保养不利。 普通以为，汽油机的普通以为，汽油机的 K K 不能大于不能大于1010。 实践的汽油机其效率低于此数实践的汽油机其效率低于此数 ，普通最高仅，普通最高仅40%40%多左右。多左右。例例4 4：狄塞尔循环：狄塞尔循环( (定压加热循定压加热循环环) )曲线是由绝热紧缩、等压曲线是由绝热紧缩、等压吸热、绝热膨胀和等容放热吸热、绝热膨胀和等容放热线构成。线构成。 求：热机效率。求：热机效率。 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

17、程师狄塞尔于德国工程师狄塞尔于18921892年提出了紧缩点火式内燃机的原始设计。所谓紧缩年提出了紧缩点火式内燃机的原始设计。所谓紧缩点火式就是使燃料气体在气缸中被紧缩到它的温度超越点火式就是使燃料气体在气缸中被紧缩到它的温度超越它本人的点火温度它本人的点火温度( (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，而 柴油燃点为柴油燃点为335)335)。这时燃料气体在气。这时燃料气体在气缸中一面熄灭，一面推进活塞对外作功。缸中一面熄灭，一面推进活塞对外作功。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

18、料的内燃机，后改用柴油为燃料，这就是我们通常所称的柴油机。是我们通常所称的柴油机。解：解：),(23,1TTCQmp)(41,2TTCQmV)()(41.23,21TTCTTCQQmVmp)(1)()(11231423,14,12TTTTTTCTTCQQmpmV热 由于狄塞尔循环没有由于狄塞尔循环没有K K1010的限制，故其效率可大于的限制，故其效率可大于奥托循环。柴油机比汽油机笨重而能奥托循环。柴油机比汽油机笨重而能 发出较大功率，因发出较大功率，因此常用作大型卡车、工程机械、机车和和船舶的动力安装。此常用作大型卡车、工程机械、机车和和船舶的动力安装。 111111r 那么那么,ABVrV

19、,CBVV令令定压膨胀比定压膨胀比绝热紧缩比绝热紧缩比例例5 5：一热机以：一热机以1mol1mol双原子分子气体为任务物质，循双原子分子气体为任务物质，循环曲线如下图，其中环曲线如下图，其中ABAB为等温过程，为等温过程，TA=1300KTA=1300K，TC=300KTC=300K。 求求. .各过程的内能增量、功、和热量；各过程的内能增量、功、和热量； . .热机效率。热机效率。解：解：5 .05o)m(3VP等温线CABA-B为等温膨胀过程0ABEK1300BATTABABQW 5 .05ln130031.81B-C为等压紧缩过程()BCVCBMUCTT)1300300(31.8251

20、吸热吸热ABAVVRTMlnJ24874J207755 .05o)m(3VPK1300AT等温线CABK300cT()BCCBWP VV 1 8.31 (1300300) ()BCMR TT8310J5 .05o)m(3VPK1300AT等温线CABK300cT)(BCPBCTTCMQ)1300300(31.8271J 29085放热放热或由热力学第一定律或由热力学第一定律831020775 BCQC-A为等容升压过程0CAWCACAQU J 290855 .05o)m(3VPK1300AT等温线CABK300cT放热放热)(CAVTTCM. .热机效率热机效率CACAQU 一个循环中的内能增

21、量为：一个循环中的内能增量为：ABBCCAUUUU 20775207750经过一个循环内能不变。经过一个循环内能不变。吸热吸热吸放QQ|1 J 20775)3001300(31.82510BCQQ放45649|29085|1J 2908536.05 .05o)m(3VPK1300AT等温线CABK300cT%36吸放QQ|1 CAABQQQ吸J 456492487420775 补充：气体制冷工质先后经紧缩、冷却、节流膨胀等最后补充：气体制冷工质先后经紧缩、冷却、节流膨胀等最后制得低温液体的制冷机称为气体紧缩式制冷机。它分两种：制得低温液体的制冷机称为气体紧缩式制冷机。它分两种：(1)(1) 蒸

22、汽紧缩式制冷机蒸汽紧缩式制冷机 气体被紧缩、冷却到室温后经气体被紧缩、冷却到室温后经过节流膨胀能使气体液化的制冷机称为蒸汽紧缩式制冷机。过节流膨胀能使气体液化的制冷机称为蒸汽紧缩式制冷机。如冷库用的冷冻机以氨如冷库用的冷冻机以氨( (沸点沸点-33.35)-33.35)为制冷工质、为制冷工质、冰箱与空调冰箱与空调. .(2)(2)深度冷冻制冷机深度冷冻制冷机 假设任务气体被紧缩冷却到室温后经节流尚不能使气假设任务气体被紧缩冷却到室温后经节流尚不能使气体液化，其液化温度还远低于此节流后温度，这时必需改体液化，其液化温度还远低于此节流后温度，这时必需改用另一种称为深度冷冻的循环。属于这类制冷机的主要有用另一种称为深度冷冻的循环。属于这类制冷机的主要有液氮机液氮机(0.101MPa(0.101MPa时的液氮温度为时的液氮温度为77K)77K)、液氦机、液氦机(0.101MPa(0.101MPa时的液温度为时的液温度为4.2K)4.2K)及制氧机。及制氧机。 工业上制得氧气是先将空气液化，然后在气液共存情工业上制得氧气是先将空气液化，然后在气液共存情况下，借助氧沸点况下，借助氧沸点(90K)(90K)较高，易于冷