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1、大学物理第章卡诺循环大学物理第章卡诺循环 热机发展简介热机发展简介 1698年萨维利和年萨维利和1705年纽可门先后发明了年纽可门先后发明了蒸汽机蒸汽机，当时蒸汽机的效率极低当时蒸汽机的效率极低, , 1765年瓦特进行了重大改进，年瓦特进行了重大改进，大大提高了效率大大提高了效率. .人们一直在为提高热机的效率而努人们一直在为提高热机的效率而努力力, , 从理论上研究热机效率问题，一方面指明了提高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 . .各种热机的效率各种热机的效率液体燃料火箭液体燃料火箭柴油机柴油机
2、汽油机汽油机蒸汽机蒸汽机冰箱循环示意图冰箱循环示意图低温低温热源热源高温高温热源热源1423补充例题补充例题. . 1 mol 氦气经过如图所示的循环过程，氦气经过如图所示的循环过程，其中其中P2=2P1 , V4=2V1 , 求求:(1). 热机的效率热机的效率 . 1-2、2-3、3-4、4-1各过程中气体吸收的热量各过程中气体吸收的热量； 解解: （1）由理想气体状态方程得）由理想气体状态方程得（2）全过程吸收的热量为）全过程吸收的热量为: 全过程对外界作的功为全过程对外界作的功为:Q1是是指指在在一一个个循循环环过过程程中中的的总吸收热量！总吸收热量！补充习题补充习题:一个以氧气为工质
3、的循环由等温、等压、等体三个一个以氧气为工质的循环由等温、等压、等体三个过程组成，已知：过程组成，已知：求：其循环效率求：其循环效率 ？注意：注意：三、卡诺循环三、卡诺循环法法国国工工程程师师、热热力力学学的的创创始始人人之之一一。 他他创创造造性性地地用用“理理想想实实验验”的的思思维维方方法法，提提出出了了最最简简单单、但但有有重重要要理理论论意意义义的的热热机机循循环环卡卡诺诺循循环环，创创造造了一部理想的热机了一部理想的热机卡诺热机。卡诺热机。1824年年卡卡诺诺提提出出了了对对热热机机设设计计具具有有普普遍遍指指导导意意义义的卡诺定理，指出了提高热机效率的有效途径。的卡诺定理，指出了
4、提高热机效率的有效途径。 概概念念：卡卡诺诺循循环环过过程程由由四四个个准准静静态态过过程程组组成成，其其中中两两个个是是等等温温过过程程和和两两个个是是绝绝热热过过程程组组成成。卡卡诺诺循环是一种理想化的模型。循环是一种理想化的模型。分类分类正循环正循环卡诺热机卡诺热机逆循环逆循环卡诺制冷机卡诺制冷机1、卡诺循环、卡诺循环ABCDPV0V1V4V2V3T1T2p1p4p2p3Q1Q2AB：等等温温膨膨胀胀过过程程，体体积积由由V1膨膨胀胀到到V2，内内能能没没有有变变化化，系系统统从从高高温温热热源源T1吸吸收收的热量全部用来对外作功的热量全部用来对外作功:BC：绝绝热热膨膨胀胀，体体积积由
5、由V2变变到到V3，系系统统不不吸吸收收热热量量，对对外外所作功等于系统减少的内能所作功等于系统减少的内能:2、卡诺热机：正循环、卡诺热机：正循环卡诺热机的四个过程卡诺热机的四个过程W和和Q均为绝对值！均为绝对值！CD：等等温温压压缩缩过过程程：体体积积由由V3压压缩缩到到V4，内内能能变变化化为为零零，系统对外界所作的功等于向低温热源系统对外界所作的功等于向低温热源T2放出的热量放出的热量:DA：绝热压缩过程：体积由：绝热压缩过程：体积由V4变到变到V1，系统不吸收热量，外界对，系统不吸收热量，外界对系统所作功等于系统增加的内能。系统所作功等于系统增加的内能。在一次循环中，在一次循环中，系统
6、对外界所作系统对外界所作的净功为的净功为 |W|= Q1-Q2T T1 1T T2 2Q Q1 1Q Q2 2W WA AB BC CD DP PV V0 0V V1 1V V4 4V V2 2V V3 3T T1 1T T2 2p p1p p4 4p p2 2p p3 3Q Q1 1Q Q2 2理想气体卡诺循环理想气体卡诺循环的效率只与两热的效率只与两热源的温度有关源的温度有关卡诺热机效率卡诺热机效率: :应用绝热方程应用绝热方程BC过程过程DA过程过程两式比较两式比较n卡卡诺诺热热机机的的效效率率只只由由高高温温热热源源和和低低温温热热源源的温度决定，与工作物质无关；的温度决定，与工作物质
7、无关；n高高温温热热源源温温度度越越高高，低低温温热热源源温温度度越越低低，则循环效率越高；则循环效率越高；说明：说明：n实实际际情情况况：高高温温热热源源的的温温度度不不可可能能无无限限制制地地提提高高，低温热源的温度也不可能达到绝对零度。低温热源的温度也不可能达到绝对零度。n因因而而热热机机的的效效率率总总是是小小于于1 1的的，即即不不可可能能把把从从高高温热源所吸收的热量全部用来对外界作功。温热源所吸收的热量全部用来对外界作功。工质把从低温热源吸收的热量和外界对它所作的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，其结果可使低温功以热量的形式传给高温热源，其结果
8、可使低温热源的温度更低，达到制冷的目的。吸热越多，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。则制冷系外界作功越少，表明制冷机效能越好。则制冷系数数 ：T1T2Q1Q2W3、卡诺制冷机：逆循环、卡诺制冷机：逆循环制冷机的制冷机的工作原理工作原理制制冷冷系系数数A AB BC CD DP PV V0 0V V1 1V V4 4V V2 2V V3 3T T1 1T T2 2p p1p p4 4p p2 2p p3 3Q Q1 1Q Q2 2 图中两卡诺循环图中两卡诺循环 吗吗 ？讨讨 论论 补补 充充: 在在400K和和300 K高高低低温温热热源源间间工工作作的
9、的理理想想卡卡诺诺热热机机，若若每每个个循循环环对对外外作作净净功功300J， 则则每每个个循循环环热热机从高温热源吸收的热量为（机从高温热源吸收的热量为（ ）A. 1200J, B. 45J, C. 400J, D. 2000JWCDP134，例题，例题3-5 在在400K和和300 K高高低低温温热热源源间间工工作作的的理理想想卡卡诺诺热热机机，若若每每个个循循环环气气体体对对外外作作净净功功W=8000J，如如果果维维持持低低温温热热源源的的温温度度不不变变，提提高高高高温温热热源源的的温温度度，使使其其一一个个循循环环对对外外作作的的净净功功增增加加到到W00001=J，并并且且两两次次卡卡诺诺循循环环都都工工作作在在相相同同的的两两绝绝热热过过程程之之间，试求：间，试求：1. 第二次循环的效率第二次循环的效率 2. 第二次循环的高温热源的温度第二次循环的高温热源的温度T1P135，例题，例题3-6小小 结结循环过程循环过程热机和制冷机热机和制冷机卡诺循环效率卡诺循环效率作业：作业：P152 练习题：练习题：2，4，7，9，10，11，13 3-7，求，求abca的循环效率？的循环效率？ 3-10，(3). 求循环效率？求循环效率？
