ch.19理想气体的卡诺循环

1、2022年4月29日星期五第一章 热力学的基本规律1.9 理想气体的卡诺循环理想气体的卡诺循环一、循环过程及热效率一、循环过程及热效率1 1循环过程循环过程 如果系统从某一状态出发，经历任意一系列的过程，如果系统从某一状态出发，经历任意一系列的过程，最后又回到原来的状态，我们就说此系统经历了一个循环最后又回到原来的状态，我们就说此系统经历了一个循环过程过程(cycle process)。经历此循环过程的物质系统称为工作。经历此循环过程的物质系统称为工作物质或简称工质。物质或简称工质。2022年4月29日星期五第一章 热力学的基本规律2 2循环的分类：正循环和逆循环循环的分类：正循环和逆循环 如

2、果一个循环过程是准静态如果一个循环过程是准静态过程，我们就可以将该过程在过程，我们就可以将该过程在pV图中用一封闭曲线表示出来，如图中用一封闭曲线表示出来，如图图16所示。所示。若过程进行的方向是顺时针的，叫若过程进行的方向是顺时针的，叫正循环，与热机对应正循环，与热机对应；若过程进行的方向是逆时针的，叫若过程进行的方向是逆时针的，叫逆循环，与致冷机对应逆循环，与致冷机对应。图图162022年4月29日星期五第一章 热力学的基本规律3 3热机效率热机效率 热机是一种利用正循环的特性，使系统（工质）连续热机是一种利用正循环的特性，使系统（工质）连续不断地对外做功的机械装置。例如，汽油机和柴油机便

3、是不断地对外做功的机械装置。例如，汽油机和柴油机便是常见的热机。常见的热机。 热效率是热机的重要性能指标，用热效率是热机的重要性能指标，用表示。表示。 (1.9.1)2111QWQQ 其中，其中，W 表示系统在一次循环过程中对外作的净功；表示系统在一次循环过程中对外作的净功；Q1 、Q2分别分别表示在一次循环过程中系统从外界吸收的热量表示在一次循环过程中系统从外界吸收的热量和向外界放出的热量。和向外界放出的热量。2022年4月29日星期五第一章 热力学的基本规律热机的示意图)(a高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2热机W2Q1Q2022年4月29日星期五第一章 热力学的基本规律蒸汽机原理图

4、蒸汽机原理图2022年4月29日星期五第一章 热力学的基本规律4 4制冷系数制冷系数 制冷机则是利用逆循环的特性，将热量连续不断从制冷机则是利用逆循环的特性，将热量连续不断从低温物体传向高温物体的机械装置。其效能用致冷系数低温物体传向高温物体的机械装置。其效能用致冷系数表示。表示。2QW(1.9.2) 其中，其中，Q2 是系统在一次循环中从低温处吸取的热量；是系统在一次循环中从低温处吸取的热量；W 是在该循环过程中外界对系统所做的功。是在该循环过程中外界对系统所做的功。2022年4月29日星期五第一章 热力学的基本规律166 图致冷机的示意图高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2致冷机W1Q

5、2Q2022年4月29日星期五第一章 热力学的基本规律二、卡诺循环及其热效率二、卡诺循环及其热效率1 1卡诺热机卡诺热机 1824年，法国工程师卡诺（年，法国工程师卡诺（S Carnot ）为了探索为了探索提高热机效率的途径，研究了一种理想热机。提高热机效率的途径，研究了一种理想热机。这这种热机以理想气体作为工作物质种热机以理想气体作为工作物质, ,无摩擦，无漏热无摩擦，无漏热。 2022年4月29日星期五第一章 热力学的基本规律 从从1820年开始，他潜心于蒸汽机的研究。年开始，他潜心于蒸汽机的研究。1824年发表了年发表了谈谈火的动力和能发动这种动力谈谈火的动力和能发动这种动力的机器的机器

6、，但当时，但当时并未引起人们的注意。并未引起人们的注意。 卡诺卡诺1832年因染霍乱病于年因染霍乱病于8月月24日逝世，年仅日逝世，年仅36岁岁。由于害怕传染，他的随身物件，包括他的。由于害怕传染，他的随身物件，包括他的著作、手稿，均被焚毁。著作、手稿，均被焚毁。 卡诺在逝世之前已经发现了热功转化的规律，卡诺在逝世之前已经发现了热功转化的规律，放弃了他原来信奉的热质说。卡诺记在笔记本中放弃了他原来信奉的热质说。卡诺记在笔记本中的这些见解是在的这些见解是在1878年由他的弟弟从幸免被毁的年由他的弟弟从幸免被毁的笔记残页中发现并公布的。笔记残页中发现并公布的。 卡诺卡诺（Sadi Carnot,1

7、7961832年），法国年），法国军事工程师、物理学家。军事工程师、物理学家。1796年年6月月1日生于巴黎。日生于巴黎。1812年进巴黎查理曼大帝公立中学学习年进巴黎查理曼大帝公立中学学习，不久考，不久考入巴黎工艺学院，师从于泊松、盖入巴黎工艺学院，师从于泊松、盖- -吕萨克、安培吕萨克、安培等人。等人。 Sadi Carnot2022年4月29日星期五第一章 热力学的基本规律 “热不过是动力，或者更确切地说，不过是改变了形热不过是动力，或者更确切地说，不过是改变了形式的运动。动力是自然界的一个不变量，动力既不能创造式的运动。动力是自然界的一个不变量，动力既不能创造也不能消失。也不能消失。”

8、 卡诺卡诺 按照理想热机的这些要求，它按照理想热机的这些要求，它的循环过程只能的循环过程只能由两个无摩擦的准静由两个无摩擦的准静态等温过程和两个无摩擦的准静态绝态等温过程和两个无摩擦的准静态绝热过程所组成。热过程所组成。我们称这样的循环为我们称这样的循环为卡诺循环卡诺循环(Carnot(Carnot cycle) cycle)。 如图如图1 17 7所示，在所示，在p-V图图中，卡中，卡诺循环用两条等温线和两条绝热线来诺循环用两条等温线和两条绝热线来表示。表示。2022年4月29日星期五第一章 热力学的基本规律2 2卡诺循环的效率卡诺循环的效率在等温过程在等温过程ABAB中，理想气体吸收的热量

9、为中，理想气体吸收的热量为B11AlnVQnRTV(1.9.3)在等温过程在等温过程3434中中, ,放出的热量为放出的热量为 C22DlnVQnRTV(1.9.4)利用绝热过程利用绝热过程BCBC和和DADA的过程方程的过程方程2022年4月29日星期五第一章 热力学的基本规律221111QTQT 111B2CT VT V(1.9.5)111A2DTVT V和和(1.9.6) CBADVVVV有有 (1.9.7)于是，由式于是，由式(1.8.1)，卡诺循环的热效率为，卡诺循环的热效率为 2022年4月29日星期五第一章 热力学的基本规律卡诺热机效率公式的意义：卡诺热机效率公式的意义：（1 1）为提高热机效率指明了方向：必须尽量提高高温热为提高热机效率指明了方向：必须尽量提高高温热源温度源温度T1 1，降低低温热源温度，降低低温热源温度T2 2；尽量减少漏热和摩擦；尽量减少漏热和摩擦；（2 2）卡诺循环