大学物理93循环过程和卡诺循环

1、9.3 循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环 9.3.1 循环过程和热机效率循环过程和热机效率 9.3.2 可逆过程和不可逆过程可逆过程和不可逆过程 9.3.3 卡诺循环和卡诺定理卡诺循环和卡诺定理9.3.1 循环过程和热机效率循环过程和热机效率 热机热机：把热能转化为机械能的设备。：把热能转化为机械能的设备。 水在锅炉中加热水在锅炉中加热 高温高压蒸汽高温高压蒸汽（吸热）（吸热）气缸中膨胀（做功）气缸中膨胀（做功）冷凝器中凝冷凝器中凝结成水（放热）结成水（放热）锅炉锅炉 。泵泵气缸气缸T1 Q1T2 Q2A1锅炉（高温热源）锅炉（高温热源）冷凝器（低温热源）冷凝器（低温热源）A2热源热源 工

2、质工质蒸气机：蒸气机： 循环：循环：系统中的工质由某一状态出发经过一系统中的工质由某一状态出发经过一系列变化又回到原来状态的过程系列变化又回到原来状态的过程正正( (热热) )循环循环逆逆( (致冷致冷) )循环循环系统对外界做净功系统对外界做净功A外界对系统做净功外界对系统做净功AA = Q吸吸Q放放Q吸吸= Q放放A pVAQ吸吸Q放放pVAQ放放Q吸吸热机（正循环）效率热机（正循环）效率 致冷系数致冷系数 121211QQQQQ2122QQQAQe9.3.2 可逆过程和不可逆过程可逆过程和不可逆过程 一个系统由某一状态出发经过某一过程到达一个系统由某一状态出发经过某一过程到达另一状态，如

3、果存在另一过程，它能使系统回另一状态，如果存在另一过程，它能使系统回到原来状态，同时消除原来过程对外界所引起到原来状态，同时消除原来过程对外界所引起的一切影响，则原来的过程就称为的一切影响，则原来的过程就称为可逆过程可逆过程。 反之，如果用任何方法都不能使系统和外界反之，如果用任何方法都不能使系统和外界完全复原，则原过程称为完全复原，则原过程称为不可逆过程不可逆过程。是什么原因使过程不可逆呢？是什么原因使过程不可逆呢？ （1）摩擦生热（功转变为热）过程不可逆）摩擦生热（功转变为热）过程不可逆 例：石头在地面上滑动例：石头在地面上滑动 （2）涉及由非平衡态向平衡态过渡的非准静）涉及由非平衡态向平

4、衡态过渡的非准静态过程不可逆态过程不可逆 例：气体的绝热自由膨胀例：气体的绝热自由膨胀非平衡态非平衡态平衡态平衡态( (初初) )TVp,平衡态平衡态( (末末) )TVp,例：向水中滴入墨水例：向水中滴入墨水例：气体快速压缩或膨胀例：气体快速压缩或膨胀例：有限温差热传导例：有限温差热传导可正转，也可反转。可正转，也可反转。只有无摩擦的准静态过程才可逆。只有无摩擦的准静态过程才可逆。 气体无摩擦无穷小压缩或膨胀气体无摩擦无穷小压缩或膨胀可逆循环可逆循环：由可逆过程组成的循环：由可逆过程组成的循环 孤立系统在进行可逆过程时，系统总是处于孤立系统在进行可逆过程时，系统总是处于平衡态。平衡态。 结论

5、：结论：可逆过程例：可逆过程例：无摩擦的等温热传导无摩擦的等温热传导可逆热机：可逆热机：工质按可逆循环工作的热机工质按可逆循环工作的热机正循环正循环热机，热机，逆循环逆循环致冷机致冷机9.3.3 卡诺循环和卡诺定理卡诺循环和卡诺定理 卡诺循环：卡诺循环：由两个无摩擦等温过程由两个无摩擦等温过程和两个准静态绝热过程组成，是一种和两个准静态绝热过程组成，是一种可逆循环。可逆循环。pVT1Q1等温膨胀等温膨胀1绝绝热热膨膨胀胀T2绝绝热热压压缩缩A243Q2等温压缩等温压缩卡诺热机。卡诺热机。 以理想气体工质为例，推导以理想气体工质为例，推导卡诺循环效率：卡诺循环效率： 1211lnVVRTQ 43

6、22lnVVRTQ 等温膨胀等温膨胀12等温压缩等温压缩34pVT1Q1等温膨胀等温膨胀1绝绝热热膨膨胀胀T2绝绝热热压压缩缩A243Q2等温压缩等温压缩从高热源从高热源 T1 吸热吸热向热源向热源 T2 放热放热132121 VTVT142111 VTVT 121432lnln1VVRTVVRT pVT1Q1等温膨胀等温膨胀1绝绝热热膨膨胀胀T2绝绝热热压压缩缩A243Q2等温压缩等温压缩绝热膨胀绝热膨胀23绝热压缩绝热压缩41121QQc 4312VVVV 因此因此121TT 卡诺热机的效率只由两个热源的温度决定。卡诺热机的效率只由两个热源的温度决定。提高高温热源温度提高高温热源温度T1和

7、降低低温热源温度和降低低温热源温度T2，是提高热机效率的有效途经。是提高热机效率的有效途经。121TTc卡诺定理：卡诺定理： （1）工作在相同高温热源和低温热源之间的）工作在相同高温热源和低温热源之间的一切可逆热机，其效率与工质无关，都是一切可逆热机，其效率与工质无关，都是121TTc （2）工作在相同高温热源和低温热源之间的）工作在相同高温热源和低温热源之间的热机，以可逆热机的效率为最高。热机，以可逆热机的效率为最高。 121211QQTTC02211TQTQ用用 Q2 代表工质从热源代表工质从热源 T2 吸收的热量，则有吸收的热量，则有 02211TQTQ“”：可逆循环，：可逆循环，“”：

8、不可逆循：不可逆循环环 。 结论：结论：两热源循环中，系统热温比之和小于两热源循环中，系统热温比之和小于或等于零。或等于零。 这是对可逆与不可逆差别的定量描述，这是对可逆与不可逆差别的定量描述，对熵概念的引入起重要作用。对熵概念的引入起重要作用。 海水温差发电：海水温差发电：利用海水的温差可以制成热利用海水的温差可以制成热机。海洋表层的水温可达机。海洋表层的水温可达2030，而深层，而深层海水的温度接近海水的温度接近0。通常用沸点很低的液态氨。通常用沸点很低的液态氨吸收海水表层的热量，在蒸发器中变成氨蒸汽吸收海水表层的热量，在蒸发器中变成氨蒸汽推动气轮发电机发电。之后氨蒸气用从深海抽推动气轮发电机发电。之后氨蒸气用从深海抽上来的低温海水冷却还原为液态氨，再泵入蒸上来的低温海水冷却还原为液态氨，再泵入蒸发器循环使用。发器循环使用。 目前海洋温差发电技术的研究取得了实质性目前海洋温差发电技术的研究取得了实质性进展，美、印、日等国