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1、 4.4.5 5 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环a b c，膨胀，对外做功膨胀，对外做功 A1；c d a，外界对系统做功外界对系统做功 A2 ；一、循环过程：一、循环过程：一系统一系统( (或工质或工质) )，经历一系列变化后又，经历一系列变化后又回到初始状态的整个过程叫回到初始状态的整个过程叫循环过程循环过程，简称简称循环循环。准静准静态循环过程可在状态图上表现为一态循环过程可在状态图上表现为一闭合曲线闭合曲线。循环过程总功循环过程总功(净功净功) A = A1 - A2 等于等于p-V 图上闭合曲线围的面积。图上闭合曲线围的面积。V0paV1V2cbdA A热机热机：循环沿顺时针方向
2、，：循环沿顺时针方向，正循环正循环(热循环热循环)，系统对，系统对 外界做净功外界做净功 A；致冷机致冷机：循环沿逆时针方向，：循环沿逆时针方向，逆循环（致冷循环）逆循环（致冷循环）, 外外界对系统做净功界对系统做净功 A 。4.4.5 5.1 .1 循环过程及其效率循环过程及其效率循环过程一周：循环过程一周： E = 0循环过程系统总吸热为循环过程系统总吸热为 Q1循环过程系统总放热为循环过程系统总放热为 Q2 Q1 - - Q2 = A二、热机效率二、热机效率热机效率热机效率一次循环工质对外做的净功一次循环工质对外做的净功 A一次循环工质从高温热源吸收的热量一次循环工质从高温热源吸收的热量
3、 Q1V0paV1V2cbdA AQ1Q2三、典型的热循环：蒸汽机的循环三、典型的热循环：蒸汽机的循环1.一定量的水从蒸发器（锅炉）中吸热一定量的水从蒸发器（锅炉）中吸热 Q1 变成高温水变成高温水 蒸汽；蒸汽；2. . 水蒸汽在蒸汽涡轮机中膨胀，推动叶轮对外做功水蒸汽在蒸汽涡轮机中膨胀，推动叶轮对外做功 A1， 同时降温，变成废汽；同时降温，变成废汽；3. 废气进入冷凝器废气进入冷凝器 ，向，向 低温热库放热低温热库放热 Q2，同时，同时 自身凝结为水；自身凝结为水；4. . 最后水泵对冷凝水做最后水泵对冷凝水做 功功 A2，将水压回到锅，将水压回到锅 炉中去，完成循环。炉中去，完成循环。蒸
4、发器蒸发器水泵水泵冷凝器冷凝器蒸汽蒸汽涡轮机涡轮机Q1Q2A1A2燃煤电厂中的蒸汽循环燃煤电厂中的蒸汽循环化学能化学能高温蒸汽高温蒸汽电能电能动能动能势能势能热能热能气轮机气轮机泵泵凝结器凝结器冷却水冷却水发电机发电机烟气烟气燃烧炉燃烧炉燃烧枪燃烧枪循环水循环水预热预热装置装置热能热能热能热能热能热能热能热能河流河流燃燃烧烧炉炉锅炉锅炉管道管道气气轮轮机机发发电电机机化学能化学能高温蒸汽高温蒸汽电能电能动能动能势能势能热能热能气轮机气轮机泵泵凝结器凝结器冷却水冷却水发电机发电机燃烧炉燃烧炉燃烧枪燃烧枪循环水循环水预热预热装置装置热能热能热能热能热能热能热能热能河流河流燃燃烧烧炉炉锅炉锅炉管道管
5、道气气轮轮机机发发电电机机化学能化学能高温蒸汽高温蒸汽高温蒸汽高温蒸汽电能电能动能动能动能动能热能热能气轮机气轮机气轮机气轮机泵泵冷却水冷却水冷却水冷却水发电机发电机发电机发电机燃烧炉燃烧炉燃烧炉燃烧炉燃烧枪燃烧枪燃烧枪燃烧枪循环水循环水循环水循环水热能热能热能热能热能热能热能热能河流河流燃燃燃燃烧烧烧烧炉炉炉炉锅炉锅炉锅炉锅炉管道管道管道管道气气气气轮轮轮轮机机机机发发发发电电电电机机机机烟气烟气烟气烟气凝结器凝结器凝结器凝结器为了提高热机效率，为了提高热机效率，1824年法国青年工程师卡诺提出了年法国青年工程师卡诺提出了一个理想循环，它体现了热机循环的基本特征，我们称一个理想循环，它体现了
6、热机循环的基本特征，我们称它为它为卡诺循环卡诺循环。一、卡诺循环条件一、卡诺循环条件1. 1. 准静态循环，可以正、逆循环。准静态循环，可以正、逆循环。2. 2. 工质为理想气体。工质为理想气体。3. 3. 工质只和两个温度不同的恒工质只和两个温度不同的恒 温热库交换热量。温热库交换热量。二、卡诺循环组成二、卡诺循环组成两个等温过程两个等温过程1-2 和和 3-4两个绝热过程两个绝热过程2-3和和 4-1 顺时针顺时针转组成转组成正卡诺循环正卡诺循环，逆时针逆时针转组成转组成逆卡诺循环逆卡诺循环。Q1Q2W高温热库高温热库T1低温热库低温热库T2工质工质4.4.5 5.2 .2 卡诺循环卡诺循
7、环 (Carnot cycle) (Carnot cycle) 卡诺循环过程动态图示卡诺循环过程动态图示a-b等温膨胀等温膨胀，吸热吸热 c-d等温压缩等温压缩，放热放热 b-c绝热膨胀绝热膨胀，降温降温 d-a绝热压缩绝热压缩，升温升温 12过程，过程，等温膨胀等温膨胀，吸热，吸热23过程，过程，绝热膨胀绝热膨胀，温度下降温度下降, ,34过程，过程，等温压缩等温压缩，放热放热41过程，过程，绝热压缩绝热压缩，温度上升温度上升, ,三、卡诺循环的热机效率三、卡诺循环的热机效率热机循环过程效率热机循环过程效率：Q2Q1T1T2 卡诺循环热机效率只与两个恒温热库温度卡诺循环热机效率只与两个恒温热
8、库温度 T1 和和 T2 有关，与工质无关。有关，与工质无关。 它指明提高热机效率的方向，它指明提高热机效率的方向，即提高即提高 T1 值或降低值或降低 T2 值。实际降低值。实际降低 T2 是困难的，热电厂尽可能地提是困难的，热电厂尽可能地提 高高 T1 温度。温度。 卡诺循环是理想循环，卡诺循环是理想循环， 实际循环效率要小很多。实际循环效率要小很多。 能流图，卡诺循环中能流图，卡诺循环中 能量交换与转化关系。能量交换与转化关系。Q2低温热库低温热库T2AQ1工工质质高温热库高温热库T1Q2Q1T1T2例例7.有有一一卡卡诺诺循循环环，当当热热源源温温度度为为 100，冷冷却却器器温温度度
9、为为 0 时时，一一循循环环作作净净功功 8000 J，今今维维持持冷冷却却器器温温度度不不变变，提提高高热热源源温温度度，使使净净功功增增为为 10000 J。若若此此两两循循环环都都工工作作于于相相同同的的二二绝绝热热线线之之间间，工工作作物物质质为为同同质质量量的的理理想想气气体体，则热源温度增为多少则热源温度增为多少?前后效率分别为多少？前后效率分别为多少？解：解：升温前：升温前：升温后：升温后：奥托奥托(N.A.Otto)循环循环:汽车四冲程发动机中的循环过程为奥托循环汽车四冲程发动机中的循环过程为奥托循环火花塞火花塞作功作功排气门排气门排气排气进气门进气门进气进气压缩压缩(32)空
10、气空气(理想气体理想气体)标准奥托循环标准奥托循环:1)绝热压缩过程绝热压缩过程: a b2)等容吸热过程等容吸热过程: b c对应于点火爆燃过程对应于点火爆燃过程3)绝热膨胀过程绝热膨胀过程: c d对应于气体膨胀对应于气体膨胀对外作功过程对外作功过程4)等容放热过程等容放热过程: d a压缩压缩火花塞火花塞作功作功排气门排气门排气排气进气门进气门进气进气例例 8a: 奥托循环的效率奥托循环的效率燃燃烧烧汽汽油油的的四四冲冲程程内内燃燃机机进进行行的的循循环环过过程程叫叫奥奥托托循循环环。它它由由两两条条绝热线和两条等容线组成。如图。绝热线和两条等容线组成。如图。ab段：将空气和汽油的混合气
11、体进行绝热压缩。段：将空气和汽油的混合气体进行绝热压缩。bc段段：压压缩缩到到体体积积 V2 时时点点火火，混混合合气气体体急急速速升升温温(等等容容升升温温)，吸热吸热 Q1。cd段：混合气体绝热膨胀，推动活塞做功段：混合气体绝热膨胀，推动活塞做功 W1。da段段：等等容容放放热热（实实际际上上是是将将废废气气从从气气缸缸中中排排出出去去,把把热热量量带带走走，最后进入大气，下一循环吸入同样体积的冷空气）。最后进入大气，下一循环吸入同样体积的冷空气）。状态状态 a: T1 ,V1 ； b: T2 , V2 ； c: T3 , V2 ； d: T4 , V1. 解解: b - c ，等容吸热等
12、容吸热 Q1 = CV(T3-T2) , d - a ，等容放热等容放热 |Q2 |= CV(T4-T1) ，效率效率 a b，绝热过程绝热过程 （TV -1 = 常量常量）定义压缩比定义压缩比 r =V1/V2 ，则可得：，则可得：奥托循环的效率决定于压缩比奥托循环的效率决定于压缩比 r。 c d，绝热过程绝热过程, , 由此两式可得由此两式可得: : 例例8b : 狄赛尔循环（狄赛尔循环（Diesel cycle）的效率）的效率四冲程柴油内燃机进行的循环过程叫四冲程柴油内燃机进行的循环过程叫狄赛尔循环狄赛尔循环。经过准静态循环过程：（未画吸气冲程）。经过准静态循环过程：（未画吸气冲程）(1
13、)由状态由状态V1、TA绝热压缩到状态绝热压缩到状态V2 、TB，温度升高。，温度升高。(2)由状态由状态V2 、TB经等压吸热过程达到状态经等压吸热过程达到状态V3 、TC，等压燃烧膨胀，等压燃烧膨胀(3)由状态由状态V3 、TC绝热膨胀到状态绝热膨胀到状态V1 、TD 。(4)由状态由状态V1 、TD经等体放热过程达到状态经等体放热过程达到状态V1、TA 。解：对于等体和等压过程，有解：对于等体和等压过程，有效率效率 Q1 = Cp,m(TC-TB) , |Q2 | = CV,m(TD-TA) , 对于两绝热过程对于两绝热过程, ,有有 定定义义压压缩缩比比 r =V1/V2 ，定定压压膨
14、膨胀胀比比= V3/V2 ，最最后后得到得到 对于等压过程对于等压过程, ,有有 于是：于是：解：解：例例 9: 如图所示循环过程，如图所示循环过程，c a 是绝热过程，是绝热过程，pa、Va、Vc 已知，比热容比为已知，比热容比为 ，求循环效率。，求循环效率。a b 等压过程等压过程bc 等容过程等容过程VpVaVcpaabcO吸热吸热 放热放热一、逆卡诺循环一、逆卡诺循环14 ：绝热膨胀绝热膨胀，温度下降；，温度下降；32 ：绝热压缩绝热压缩，温度上升；，温度上升；Q1Q2OVpT1T21234V1V4V2V3A工质工质Q2低温热库低温热库T2高温热库高温热库T1Q1二、能流图二、能流图三
15、、制冷系数三、制冷系数4.5.3 制制冷循环冷循环 43 ：等温膨胀等温膨胀，从低温热库吸热，从低温热库吸热 Q2；21 ：等温压缩等温压缩，向高温热库放热，向高温热库放热Q1。四、冰箱四、冰箱 (Refrigerator) 工作原理工作原理工质：氨和氟里昂。工质：氨和氟里昂。Q2A冷库冷库节节流流阀阀散热片散热片冷凝器冷凝器Q1压缩机压缩机蒸发器蒸发器经节流阀小口后，降压经节流阀小口后，降压降温，再进入蒸发器，降温，再进入蒸发器，从冷库中吸热。工质蒸从冷库中吸热。工质蒸发为蒸气，被吸入压气发为蒸气，被吸入压气机中。机中。 工质被压缩机压缩，温工质被压缩机压缩，温度升高，进入冷凝器，度升高，进入冷凝器，放热而凝结为液态氨。放热而凝结为液态氨。工作过程：工作过程：解：解：热力学基础热力学基础热力学基础热力学基础例例 10.以以可可逆逆卡卡诺诺循循环环方方式式工工作作的的制制冷冷机机，在在某某环环境境下下它它的的制制冷冷系系数数为为 30.3，在在同同样样环环境境下下把它用作热机，则其效率把它用作热机，则其效率 为多少为多少?作业：4-14，4-15，4-17，4-18, 4-21习题课：周日（5月10日）上午8:50-10:30，良乡1-106主要内容主要内容 1. 循环、热机及其效率循环、热机及其效率 2.卡诺循环的效率卡诺循环的效率3.制冷循环和制冷系数制冷循环和制冷系数
