熱學(xué) 熱循環(huán)過程 卡諾熱機(jī)

1、第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)4 - 5 4 - 5 循環(huán)過程循環(huán)過程 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán) 熱機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)介熱機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)介 1698年薩維利和年薩維利和1705年紐可門先后發(fā)明了年紐可門先后發(fā)明了蒸蒸汽機(jī)汽機(jī) ，當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)的效率極低，當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)的效率極低 . 1765年瓦特進(jìn)年瓦特進(jìn)行了重大改進(jìn)行了重大改進(jìn) ，大大提高了效率，大大提高了效率 . 人們一直在人們一直在為提高熱機(jī)的效率而努力，為提高熱機(jī)的效率而努力， 從理論上研究熱機(jī)從理論上研究熱機(jī)效率問題，效率問題， 一方面指明了提高效率的方向，一方面指明了提高效率的方向， 另另一方面也推動(dòng)了熱學(xué)理論的發(fā)展一方面也推動(dòng)了熱學(xué)理論的發(fā)展 .各種熱機(jī)的效

2、率各種熱機(jī)的效率液體燃料火箭液體燃料火箭柴油機(jī)柴油機(jī)汽油機(jī)汽油機(jī)蒸汽機(jī)蒸汽機(jī)%48%8%37%25第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)4 - 5 4 - 5 循環(huán)過程循環(huán)過程 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)熱機(jī)熱機(jī) ：持續(xù)地將熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C(jī)器：持續(xù)地將熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C(jī)器 . 工作物質(zhì)工作物質(zhì)（工質(zhì)）：熱機(jī)中被利用來吸收熱量（工質(zhì)）：熱機(jī)中被利用來吸收熱量并對(duì)外做功的物質(zhì)并對(duì)外做功的物質(zhì) .第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)4 - 5 4 - 5 循環(huán)過程循環(huán)過程 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)冰箱循環(huán)示意圖冰箱循環(huán)示意圖第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)4 - 5 4 - 5 循環(huán)過程循環(huán)過程 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)pVoW 系統(tǒng)經(jīng)

3、過一系列變化狀態(tài)過程后，又回到原來的系統(tǒng)經(jīng)過一系列變化狀態(tài)過程后，又回到原來的狀態(tài)的過程叫熱力學(xué)循環(huán)過程狀態(tài)的過程叫熱力學(xué)循環(huán)過程 .熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律WQ 2Q總放熱總放熱（取絕對(duì)值）取絕對(duì)值）QQQW21凈功凈功0E特征特征一一 循環(huán)過程循環(huán)過程1Q總吸熱總吸熱ABAVBVcd第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)4 - 5 4 - 5 循環(huán)過程循環(huán)過程 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)熱機(jī)熱機(jī)二二 熱機(jī)效率和致冷機(jī)的致冷系數(shù)熱機(jī)效率和致冷機(jī)的致冷系數(shù)熱機(jī)效率熱機(jī)效率1212111QQQQQQW高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩?Q熱機(jī)（熱機(jī)（正正循環(huán)）循環(huán)）0W2QWWpVoABAVBVcd第四章熱力

4、學(xué)基礎(chǔ)第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)4 - 5 4 - 5 循環(huán)過程循環(huán)過程 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)W致冷機(jī)致冷系數(shù)致冷機(jī)致冷系數(shù)2122QQQWQe致冷機(jī)（致冷機(jī)（逆逆循環(huán)）循環(huán)）0W致冷致冷機(jī)機(jī)高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩磒VoABAVBVcd1Q2QW第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)4 - 5 4 - 5 循環(huán)過程循環(huán)過程 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)141V4V231p2pPVo12Q34Q41Q23Q 例例 1 1 mol 氦氣經(jīng)過如圖所示的循環(huán)過程，其氦氣經(jīng)過如圖所示的循環(huán)過程，其中中 , 求求12、23、34、41各過程中氣體吸收的熱量和熱機(jī)的效率各過程中氣體吸收的熱量和熱機(jī)的效率 .122 pp142VV

5、解解 由理想氣體物態(tài)方程得由理想氣體物態(tài)方程得122TT 134TT 142TT1m,12m,12)(TCTTCQVV1m,23m,232)(TCTTCQpp1m,34m,342)(TCTTCQVV第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)4 - 5 4 - 5 循環(huán)過程循環(huán)過程 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán))23(m,11RCTRTVQWQQQ1121%3 .15RCCVpm,m,)(1412VVppW111RTVpQQQ231211m,41m,41)(TCTTCQpp1m,1m,2TCTCpV141V4V231p2pPVo12Q34Q41Q23Q1m,12TCQV1m,232TCQp1m,342TCQV第四章熱

6、力學(xué)基礎(chǔ)第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)4 - 5 4 - 5 循環(huán)過程循環(huán)過程 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán) 卡諾卡諾循環(huán)是由兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)是由兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)等溫等溫過程和兩個(gè)準(zhǔn)靜過程和兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)態(tài)絕熱絕熱過程組成過程組成 .三三 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán) 低溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩?T高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩?T卡諾熱機(jī)卡諾熱機(jī)1Q2QWVop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT 1824 年法國(guó)的年青工程師卡諾提出一個(gè)工作年法國(guó)的年青工程師卡諾提出一個(gè)工作在在兩兩熱源之間的熱源之間的理想理想循環(huán)循環(huán)卡諾卡諾循環(huán)循環(huán). 給出了熱機(jī)給出了熱機(jī)效率的理論極限值效率的理論極限值; 他還提出了著名的卡諾定理他還提出了著名的卡諾定理.

7、第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)4 - 5 4 - 5 循環(huán)過程循環(huán)過程 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)Vop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V 理想氣體卡諾循環(huán)熱機(jī)效率的計(jì)算理想氣體卡諾循環(huán)熱機(jī)效率的計(jì)算 A B 等溫膨脹等溫膨脹 B C 絕熱膨脹絕熱膨脹 C D 等溫壓縮等溫壓縮 D A 絕熱壓縮絕熱壓縮卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)21TT abQcdQ1211lnVVRTMmQQabA B 等溫膨脹等溫膨脹吸吸熱熱第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)4 - 5 4 - 5 循環(huán)過程循環(huán)過程 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)4322lnVVRTMmQQcdC D 等溫壓縮放熱等溫壓縮放熱1211lnVVRTMmQ Vo

8、p2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ12431212lnln11VVVVTTQQ D A 絕熱過程絕熱過程214111TVTVB C 絕熱過程絕熱過程 213112TVTV第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)4 - 5 4 - 5 循環(huán)過程循環(huán)過程 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)4312VVVV121TT 卡諾熱機(jī)效率卡諾熱機(jī)效率Vop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ12431212lnln11VVVVTTQQ 卡諾熱機(jī)效率與工作卡諾熱機(jī)效率與工作物質(zhì)無(wú)關(guān)，只與兩個(gè)熱源物質(zhì)無(wú)關(guān)，只與兩個(gè)熱源的溫度有關(guān)，兩熱源的溫的溫度有關(guān)，兩熱源的溫

9、差越大，則卡諾循環(huán)的效差越大，則卡諾循環(huán)的效率越高率越高 . 第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)4 - 5 4 - 5 循環(huán)過程循環(huán)過程 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)Vop2TW1TABCD21TT 高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩?T低溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩?T卡諾致冷機(jī)卡諾致冷機(jī)1Q2QW 卡諾致冷機(jī)（卡諾逆循環(huán)）卡諾致冷機(jī)（卡諾逆循環(huán)）卡諾致冷機(jī)卡諾致冷機(jī)致冷致冷系數(shù)系數(shù)212212TTTQQQe2Q1Q第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)4 - 5 4 - 5 循環(huán)過程循環(huán)過程 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán) 圖中兩卡諾循環(huán)圖中兩卡諾循環(huán) 嗎嗎 ？2121212T1T2W1W21WW poV討討 論論poV2T1T2W1W3T21WW 第四

10、章熱力學(xué)基礎(chǔ)第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)4 - 5 4 - 5 循環(huán)過程循環(huán)過程 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán) 例例2 一臺(tái)電冰箱放在室溫為一臺(tái)電冰箱放在室溫為 的房間里的房間里 ，冰，冰箱儲(chǔ)藏柜中的溫度維持在箱儲(chǔ)藏柜中的溫度維持在 . 現(xiàn)每天有現(xiàn)每天有 的的熱量自房間傳入冰箱內(nèi)熱量自房間傳入冰箱內(nèi) , 若要維持冰箱內(nèi)溫度不變?nèi)粢S持冰箱內(nèi)溫度不變 , 外外界每天需作多少功界每天需作多少功 , 其功率為多少其功率為多少? 設(shè)在設(shè)在 至至 之間運(yùn)轉(zhuǎn)的致冷機(jī)之間運(yùn)轉(zhuǎn)的致冷機(jī) ( 冰箱冰箱 ) 的致冷系數(shù)的致冷系數(shù), 是卡諾致冷機(jī)是卡諾致冷機(jī)致冷系數(shù)的致冷系數(shù)的 55% .C5C20J100 . 27C5C20解解2 .1010055%55212TTTee卡由致冷機(jī)致冷系數(shù)由致冷機(jī)致冷系數(shù) 得得212QQQe211QeeQ房間傳入冰箱的熱量房間傳入冰箱的熱量 熱平衡時(shí)熱平衡時(shí)J100 . 27Q2QQ 第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)第四章熱力學(xué)基礎(chǔ)4 - 5 4