循环过程 卡诺循环.ppt

1、第一节,系统经过一系列变化状态过程后，又回到原来的状态的过程叫热力学循环过程 .,由热力学第一定律,特征:,一 循环过程,净功,/19,正循环: p-V图上按顺时针方向进行的循环过程.,如右图所示的循环AcBdA是正循环.,正循环中系统对外界所做功的净功等于循环所包围的面积.,逆循环: p-V图上按逆时针方向进行的循环过程.,如右图所示的循环AdBcA是逆循环.,逆循环中系统对外界所做功的净功等于循环所包围的面积的负值.,二、热机和致冷机,热机：利用工作物质持续地将热量转变为功的机器 .,热机的工作过程对应着p-V图的一个正循环过程AcBdA.,热机（正循环）,热机,热机效率,低温热源,热机发

2、展简介 1698年萨维利和1705年纽可门先后发明了蒸气机 ，当时蒸气机的效率极低 . 1765年瓦特进行了重大改进 ，大大提高了效率 . 人们一直在为提高热机的效率而努力，从理论上研究热机效率问题， 一方面指明了提高效率的方向， 另一方面也推动了热学理论的发展 .,热机 : 持续地将热量转变为功的机器 .,致冷机致冷系数,致冷机 ：利用外界对工作物质做功使热量持续地由低温处流入高温处,从而获得低温的机器. 如冰箱, 空调等.,致冷机的工作过程对应着p-V图的一个逆循环过程AdBcA.,冰箱循环示意图,三 卡诺循环,1824 年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在两热源之间的理想循环 卡诺循环.

3、 给出了热机效率的理论极限值； 他还提出了著名的卡诺定理.,卡诺循环是由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程组成 .,低温热源T2,卡诺循环的工作物质可以是各种物质,为简便起见,设为理想气体.,卡诺循环中,理想气体从高温热源吸收热量,对外做功,在低温热源处放出剩余的热量.,卡诺循环是正循环ABCDA.,按卡诺循环工作的热机称为卡诺热机.,理想气体卡诺循环热机效率的计算,A B 等温膨胀 B C 绝热膨胀 C D 等温压缩 D A 绝热压缩,卡诺循环,A B 等温膨胀吸热,C D 等温压缩放热,等温过程的吸热公式,D A 绝热过程,B C 绝热过程,所以,由绝热过程方程,卡诺热机效率,卡诺热机

4、效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高 .,/19,由两个绝热过程和两个等温过程组成的逆循环称为卡诺逆循环. 如图所示.,卡诺逆循环,卡诺逆循环过程: 设工作物质为理想气体.,(i) A D,绝热膨胀;系统对外做功,气体温度T1 T2(降低).,(ii) D C,等温膨胀;此过程中气体从低温热源中吸收热量Q2; 系统对外界做功.,(iii) C B,绝热压缩;外界对气体做功,气体温度T2 T1(升高),.,(iv) 最后, B A,等温压缩;此过程中外界对气体做功使气体将气量Q1传 递给高温热源, 从而完成一个逆循环.,/19,按卡诺逆循环工作的热机

5、称为卡诺致冷机.,等温过程DC吸收的热量为,等温过程BA放出的热量为,因为AD和CB是绝热过程, 因此有,由以上三式可得,卡诺致冷机（卡诺逆循环）,/19,得到卡诺致冷机的致冷系数为:,可见卡诺致冷机的致冷系数也只与高低温热源的温度有关.,将上式代入致冷系数定义式,图中两卡诺循环 吗 ？,例 1 汽油机可近似看成如图循环过程(Otto循环)，其中AB和CD为绝热过程，求此循环效率.,解,又BC和DA是绝热过程：,所以,V,例2 一电冰箱放在室温为 的房 间里 ，冰箱储藏柜中的温度维持在 . 现每天有 的热量自房间传入冰箱 内 , 若要维持冰箱内温度不变 , 外界每天 需作多少功 , 其功率为多

6、少? 设在 至 之间运转的冰箱的致冷系数是卡诺致冷机致冷系数的 55% .,每天由房间传入冰箱的热量为,因此卡诺致冷机的致冷系数为,根据题意, 冰箱的致冷系数为,为了保持冰箱内的温度不变, 每天必须从冰箱内抽走的热量为:,/19,解: 由题意得,因此保持冰箱内温度为5 0C, 每天所需作的功为,由致冷机致冷系数 得,设冰箱不停的工作,所需要的功率为,/19,第一节,/19,热机在一个循环中, 从高温热源处吸收热量Q吸后对外做功W, 在低温热源处放出热量Q放.,热机效率:,从上式可知, 在低温处放出的热量越小, 则热机的效率越高.,如果在低温热源处不放热量, 即Q放=0, 则热机的效率等于100

7、% !,这种情况能实现吗 ?,即系统在高温热源处吸收的热量全部用于对外做功 ! (不违反热力学第一定律 ),根据实际经验这种现象是不能实现的 !,/19,致冷系数:,致冷机在一个循环中, 通过外界对系统做功 W 使系统从低温热源处吸收热量Q吸, 而在高温热源处放出热量Q放.,能否不要外界做功而使热量从低温热源传递给高温热源呢 ? (不违反热力学第一定律),根据实际经验, 这也是做不到的 !,再比如, 稀薄的气体不可能自发地进行压缩.,第二定律的提出,1 功热转换的条件，第一定律无法说明.,2 热传导的方向性、气体自由膨胀的不可逆性问题，第一定律无法说明.,人们在大量实践的基础上总结了一条新的定

8、律的 - 热力学第二定律.,热力学第二定律有很多种表述形式.反映的物理实质是相同的.,有两种最具有代表性的表述.,1 开尔文说法 不可能制造出这样一种循环工作的热机，它只使单一热源冷却来做功，而不放出热量给其它物体，或者说不使外界发生任何变化 .,一 热力学第二定律的两种表述,等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，而不放出热量给其它物体,但它是非循环过程.,卡诺循环是循环过程，但需两个热源，且使外界发生变化.,永 动 机 的 设 想 图,虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化.,2 克劳修斯说法 不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引起外界的变化 .,1

9、热力学第二定律是大量实验和经验的总结.,3 热力学第二定律可有多种说法，每种说法都反映了自然界过程进行的方向性 .,2 热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性 .,可逆过程 : 在系统状态变化过程中,如果逆过程能重复正过程的每一状态, 而不引起其他变化, 这样的过程叫做可逆过程 .,二 可逆过程与不可逆过程,不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程.,热量可以自动地从高温物体传递到低温物体.,热量不可以自动地从低温物体传递到高温物体.,说明, 热量的传递过程是不可逆的 !,再如, 气体的膨胀过程

10、也是不可逆的.,称为正过程.,称为逆过程.,准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程 .,可逆过程的条件,什么样的过程是可逆的呢 ? 即实现可逆过程的条件是什么 ?,二 可逆过程与不可逆过程,二 可逆过程与不可逆过程,当气缸中的活塞无限缓慢地运动且可以略去活塞与气缸壁间的摩擦力及气体间的粘滞力所引起的能量耗散时, 气体的状态变化过程是可逆过程.,(i) 准静态无摩擦过程为可逆过程,如下图所示,(ii) 非准静态过程为不可逆过程, 如下图所示.,活塞不是无限缓慢地运动;,活塞与气缸壁间的摩擦力不可忽略;,气体的粘滞力不可忽略.,这时, 气体的状态变化过程是不可逆过程.,可逆过程与不可逆过程, 哪