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1、6 6 循环过程 卡诺循环 历史上 热力学理论最初是在研究热机工作过程 的基础上发展起来的 热机发展简介 1698年萨维利和1705年纽可门先 后发明了蒸汽机 当时蒸汽机的效率极低 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 各种热机的效率 液体燃料火箭柴油机 汽油机蒸汽机 1 工作物质 工质 热机中被利用来吸收热量 并对外做功的物质 2 冰箱循环示意图 3 若循环的每一阶段都是准静态过程 则此循环可 用P V图上的一条闭合曲线表示 箭头表示过程进 行的方向 工质在
2、整个循环过程中对外作的净功等 于曲线所包围的面积 在热机中被用来吸收热量并对外作功的物质 叫工质 工质往往经历着循环过程 即经历一系 列变化又回到初始状态 沿顺时针方向进行的循环称为正循环或热循环 沿反时针方向进行的循环称为逆循环或制冷循环 4 正循环的特征 一定质量的工质在一次循环过程中要从高温热 源吸热Q1 对外作净功 W 又向低温热源放 出热量Q2 而工质回到初态 内能不变 如热 电厂中水的循环过程 示意如图 Q1 Q2 W 均表示数值大小 工质经一循环 W Q1 Q2 T1 Q1 T2 Q2 泵 W 气缸 P V a b c d 5 系统经过一系列变化状态过程后 又回到原来 的状态的过
3、程叫热力学循环过程 特征 一 循环过程 热力学第一定律 净功 A B 总放热 取绝对值 总吸热 6 二 热机效率和致冷机的致冷系数 热机 高温热源 低温热源 热机 正循环 A B 热机效率 7 致冷机 高温热源 低温热源 致冷机 逆循环 A B 致冷机致冷系数 8 例 1 1 mol 氦气经过如图所示的循环过程 其 中 求1 2 2 3 3 4 4 1 各过程中气体吸收的热量和热机的效率 解 由理想气体物态方程得 1 4 23 9 1 4 23 10 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 给出了热 机效率的理论极限值 他还提出了著名的卡诺
4、定理 卡诺循环是理想气体为工质由两个准静态等温 过程和两个准静态绝热过程组成 W A B C D 低温热源 高温热源 卡诺热机 11 理想气体卡诺循环热机效率的计算 W A B C D 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 12 W A B C D C D 等温压缩放热 D A 绝热过程 B C 绝热过程 13 W A B C D 卡诺热机效率 卡诺热机效率与工作 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 14 在一次循环中 气体对 外作净功为 W Q1 Q2 参见能流图 T1 T2 Q1
5、Q2 W 可以证明在同样两个温度T1和T2之间工作的各种 工质的卡诺循环的效率都由上式给定 而且是实际 热机可能效率的最大值 当用热力学温标T1 T2表 示两个热源的温度时 卡诺循环的效率的表示仍为 上式 15 卡诺致冷机 卡诺逆循环 W A B C D 高温热源 低温热源 卡诺致冷机 卡诺致冷机致冷系数 16 逆向循环反映了制冷机 的工作原理 其能流图 如右图所示 T1 T2 Q1 Q2 W 工质把从低温热源吸收的热量和外界对它所作的 功以热量的形式传给高温热源 其结果可使低温 热源的温度更低 达到制冷的目的 吸热越多 外界作功越少 表明制冷机效能越好 用制冷系 数e表示之 17 介绍 保护
6、臭氧层 保护地球表面免受某些具有破坏性的紫外线 臭氧层 位于地面上空20 50km的同温层中 作用 辐射 控制地球气温 散热片 引起公害 氟里昂对臭氧层的破坏 循环反应 游离氧原子 18 后 果 紫外线辐射增强 晒斑 雪盲 视力损害 皮肤癌 白内障 植物生长率下降 海洋生物减少 温室效应 气候异常 农业 畜牧业受损 国土干燥化 北极冰帽熔化 海平面上升 大陆被淹 1987 9 蒙特利尔1990 6 伦敦 会议决定2000年停止生产和消费氟里昂 发展中国家延长10年 19 解决途径 寻找纯工质替代物 无Cl 磁致冷 半导体致冷 注意 避免使用发达国家提供的过时 有害环境的 技术来实现发展 警惕以 援助 投资之名 行污染转移之实 谨防 输出自然资源 留下环境破坏 20 图中两卡诺循环 吗 讨 论 21 例2 一台电冰箱放在室温为 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 其功率为多少 设在 至 之间运转的致冷机 冰箱 的致冷系数 是卡诺致冷机 致冷系数的 55 解 由致冷机致冷系数 得 房间传入冰箱的热量 热平衡时 22 房间传入冰箱的热量 热平衡时 保持冰箱在 至 之间运转 每天需作功 功率 23 24
