第五講 循環(huán)過(guò)程 熱機(jī)

1、2525鍋鍋爐爐給水泵給水泵冷凝器冷凝器氣缸氣缸高溫高壓蒸汽高溫高壓蒸汽【工作物質(zhì)】熱機(jī)中被循環(huán)用來(lái)吸收熱量并做功的物質(zhì)【工作物質(zhì)】熱機(jī)中被循環(huán)用來(lái)吸收熱量并做功的物質(zhì)。內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能吸收熱量吸收熱量增加內(nèi)能增加內(nèi)能向低溫?zé)嵯虻蜏責(zé)嵩捶艧嵩捶艧崂淅鋮s卻水水 熱學(xué)熱學(xué) 循環(huán)過(guò)程熱機(jī)循環(huán)過(guò)程熱機(jī)【熱機(jī)】持續(xù)地將熱能轉(zhuǎn)化為功的機(jī)器【熱機(jī)】持續(xù)地將熱能轉(zhuǎn)化為功的機(jī)器。 熱學(xué)熱學(xué) 循環(huán)過(guò)程熱機(jī)循環(huán)過(guò)程熱機(jī)【熱機(jī)】持續(xù)地將熱能轉(zhuǎn)化為功的機(jī)器【熱機(jī)】持續(xù)地將熱能轉(zhuǎn)化為功的機(jī)器。例：蒸汽機(jī)例：蒸汽機(jī) 熱學(xué)熱學(xué) 循環(huán)過(guò)程熱機(jī)循環(huán)過(guò)程熱機(jī)【熱機(jī)】持續(xù)地將熱能轉(zhuǎn)化為功的機(jī)器【熱機(jī)】持續(xù)地將熱能轉(zhuǎn)化

2、為功的機(jī)器。例：蒸汽機(jī)例：蒸汽機(jī)工作物質(zhì)（水蒸汽）在高溫?zé)嵩刺幬鼰嵩黾觾?nèi)工作物質(zhì)（水蒸汽）在高溫?zé)嵩刺幬鼰嵩黾觾?nèi)能，部分內(nèi)能通過(guò)做功轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，部分內(nèi)能，部分內(nèi)能通過(guò)做功轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，部分內(nèi)能在低溫?zé)嵩刺幫ㄟ^(guò)放熱傳遞給外界。能在低溫?zé)嵩刺幫ㄟ^(guò)放熱傳遞給外界。高溫?zé)釒?kù)高溫?zé)釒?kù)T1低溫?zé)釒?kù)低溫?zé)釒?kù)T2W工質(zhì)工質(zhì)Q1Q2 熱學(xué)熱學(xué) 循環(huán)過(guò)程熱機(jī)循環(huán)過(guò)程熱機(jī)【循環(huán)過(guò)程】系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列過(guò)程【循環(huán)過(guò)程】系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列過(guò)程后，又回到原狀態(tài)的、周而復(fù)始的過(guò)程后，又回到原狀態(tài)的、周而復(fù)始的過(guò)程。【準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過(guò)程】任意中間過(guò)程均為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的【準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過(guò)程】任意中間過(guò)程均為準(zhǔn)靜

3、態(tài)過(guò)程的循環(huán)過(guò)程循環(huán)過(guò)程。理想化過(guò)程理想化過(guò)程VpO對(duì)應(yīng)狀態(tài)圖中的閉合曲線對(duì)應(yīng)狀態(tài)圖中的閉合曲線0 E EQ QW W 正循環(huán)正循環(huán)逆循環(huán)逆循環(huán)W工質(zhì)對(duì)外所作的凈功工質(zhì)對(duì)外所作的凈功 熱學(xué)熱學(xué) 循環(huán)過(guò)程熱機(jī)循環(huán)過(guò)程熱機(jī)pabcd1V V2V VV1Q Q2Q Q0 W W高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩碤1W=Q1 - Q2Q2低溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩垂べ|(zhì)工質(zhì)熱機(jī)效率熱機(jī)效率1QW 121QQQ 121QQ 意義：在一次循環(huán)中工作物質(zhì)對(duì)外所做的凈功占意義：在一次循環(huán)中工作物質(zhì)對(duì)外所做的凈功占它從高溫?zé)嵩次盏臒崃康谋壤?。它從高溫?zé)嵩次盏臒崃康谋壤?。注：注：Q1 、Q2 、W都指絕對(duì)值都指絕對(duì)值各種熱機(jī)的效率：各種熱

4、機(jī)的效率：蒸汽機(jī)蒸汽機(jī)%8 汽油機(jī)汽油機(jī)%25 柴油機(jī)柴油機(jī)%37 液體燃液體燃料火箭料火箭%48 研究提高熱機(jī)效率研究提高熱機(jī)效率熱力學(xué)發(fā)展熱力學(xué)發(fā)展例例1. 1. mol mol 的的 理想氣體經(jīng)歷如圖所示準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過(guò)程理想氣體經(jīng)歷如圖所示準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過(guò)程（OttOOttO循環(huán)汽油機(jī)的循環(huán)循環(huán)汽油機(jī)的循環(huán)1 2 絕熱壓縮絕熱壓縮 V1T1 V2T2 2 3 等容吸熱等容吸熱 V2T2 V2T33 4 絕熱膨脹絕熱膨脹 V2T3 V1T44 1 等容放熱等容放熱 V1T4 V1T1 求循環(huán)效率；求循環(huán)效率；V11OV2VPT3T4T1T2234 熱學(xué)熱學(xué) 循環(huán)過(guò)程熱機(jī)循環(huán)過(guò)程熱機(jī)家家用用電電冰

5、冰箱箱循循環(huán)環(huán)冷凝器冷凝器冷凍室冷凍室蒸發(fā)器蒸發(fā)器節(jié)節(jié)流流閥閥儲(chǔ)儲(chǔ)液液器器壓壓縮縮機(jī)機(jī)200 0C10atm3atm700 0C100C2QQ112W高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碤Q( (冷凍室冷凍室) )( (周?chē)h(huán)境周?chē)h(huán)境) )氟氟利利昂昂冰箱循環(huán)演示冰箱循環(huán)演示 熱學(xué)熱學(xué) 循環(huán)過(guò)程熱機(jī)循環(huán)過(guò)程熱機(jī) 熱學(xué)熱學(xué) 循環(huán)過(guò)程熱機(jī)循環(huán)過(guò)程熱機(jī)pabcd1V V2V VV1Q Q2Q Q0 W W高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩碬Q2低溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩垂べ|(zhì)工質(zhì)1Q Q2Q QW W 致冷系數(shù)致冷系數(shù)W WQ Q2 212Q QQ QQ Q 意義：在一次循環(huán)中外界所做的凈功中有多少意義：在一次循環(huán)中外界所做的凈功

6、中有多少用于吸收低溫?zé)嵩吹臒崃?。用于吸收低溫?zé)嵩吹臒崃?。同樣地：同樣地：Q1 、Q2 、W都指絕對(duì)值都指絕對(duì)值141V4V231p2pPVoQ14 Q43Q32Q21122TT 134TT 142TT WQ吸吸 Q 吸吸=Q14+Q431141425)(RTTTCQp143433)(RTTTCQV1RTW 1211RT=5.5例例2 2 1 mol 氦氣經(jīng)過(guò)如圖所示的循環(huán)過(guò)程，其中氦氣經(jīng)過(guò)如圖所示的循環(huán)過(guò)程，其中 求循環(huán)過(guò)程致冷系數(shù)。求循環(huán)過(guò)程致冷系數(shù)。142V VV V 122p pp p 2-2-5 循環(huán)過(guò)程熱機(jī)循環(huán)過(guò)程熱機(jī)2626 熱學(xué)熱學(xué) 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)18241824年，法國(guó)年，法

7、國(guó) 28 28 歲工程師歲工程師十九世紀(jì)初，蒸汽機(jī)效率很低，只有十九世紀(jì)初，蒸汽機(jī)效率很低，只有 5%，人們花了近五十年進(jìn)行改進(jìn)，效率只提高到人們花了近五十年進(jìn)行改進(jìn)，效率只提高到 8%。為此人們?cè)诶碚撋涎芯繜釞C(jī)效率。為此人們?cè)诶碚撋涎芯繜釞C(jī)效率。問(wèn)題：?jiǎn)栴}： 1 1、熱機(jī)效率是否存在極限？、熱機(jī)效率是否存在極限？ 2 2、熱機(jī)效率與工作物質(zhì)有無(wú)關(guān)系？、熱機(jī)效率與工作物質(zhì)有無(wú)關(guān)系？卡諾采用科學(xué)抽象的方法建立了卡諾采用科學(xué)抽象的方法建立了理想化的模型，即理想化的模型，即卡諾熱機(jī)卡諾熱機(jī)。用用卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)來(lái)研究問(wèn)題。來(lái)研究問(wèn)題?！究ㄖZ循環(huán)】工質(zhì)只與兩恒溫?zé)嵩唇佑|，【卡諾循環(huán)】工質(zhì)只與兩恒溫?zé)嵩?/p>

8、接觸，由兩個(gè)準(zhǔn)靜由兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)等溫過(guò)程和兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程組成，態(tài)等溫過(guò)程和兩個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程組成，且且無(wú)散熱、摩擦、漏氣等因素的循環(huán)無(wú)散熱、摩擦、漏氣等因素的循環(huán)。理想循環(huán)理想循環(huán)例：理想氣體的例：理想氣體的 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)p0 V等溫線等溫線絕熱線絕熱線 a b c da ad dc cb ba a: ) 1卡諾正循環(huán)卡諾正循環(huán)a ab bc cd da a: ) 2卡諾逆循環(huán)卡諾逆循環(huán) 熱學(xué)熱學(xué) 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)T1T2恒溫恒溫( (高溫高溫) )熱源熱源恒溫恒溫( (低溫低溫) )熱源熱源工質(zhì)工質(zhì)Q1Q2WQ1W=Q1 - Q2Q2卡諾熱機(jī)效率卡諾熱機(jī)效率12C1Q QQ Q a b

9、c d1T T2T T1V V0 Vp2V V3V V4V V121T TT T 熱學(xué)熱學(xué) 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán) 1 1、在同樣兩個(gè)溫度分別為、在同樣兩個(gè)溫度分別為T(mén) T1 1，T T2 2熱庫(kù)之間熱庫(kù)之間工作的各種工質(zhì)的卡諾循環(huán)效率都等于工作的各種工質(zhì)的卡諾循環(huán)效率都等于 c c c c是實(shí)際熱機(jī)可能效率的最大值是實(shí)際熱機(jī)可能效率的最大值 2. Carnot 2. Carnot 循環(huán)效率只決定于高低溫?zé)嵫h(huán)效率只決定于高低溫?zé)嵩礈囟?，源溫度?給出了提高熱機(jī)效率的方向；給出了提高熱機(jī)效率的方向；3. 3. 熱機(jī)效率不能達(dá)到熱機(jī)效率不能達(dá)到100100。121TTc討論討論嗎嗎 ？1 1、圖中兩卡

10、諾循環(huán)、圖中兩卡諾循環(huán)21 2T1T2W1W21WW poVpoV2T1T2W1W3T21WW 21 21 熱學(xué)熱學(xué) 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)討論討論2 2、兩卡諾循環(huán)兩卡諾循環(huán)ABCDA、EFGHE：212S SS S 求（求（1 1）效率之比（）效率之比（2 2）吸熱之比）吸熱之比1S S2S S21 212Q QQ Q 熱學(xué)熱學(xué) 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)0 VQ1Q2WT1T2WQ2恒溫恒溫( (高溫高溫) )熱源熱源恒溫恒溫( (低溫低溫) )熱源熱源工質(zhì)工質(zhì)卡諾致冷系數(shù)卡諾致冷系數(shù)212CQ QQ QQ Q a b c d1T T2T T1V Vp2V V3V V4V V212T TT TT T Q

11、1= W+ Q2)(1212 T TT TQ QW W1 1、T1 相同，相同，T2 越小，吸收等量熱量，需越小，吸收等量熱量，需 越大；越大；2 2、T2 相同，相同，T1 越大，吸收等量熱量，需越大，吸收等量熱量，需 越大。越大。 熱學(xué)熱學(xué) 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)例：例： 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 ，冰箱，冰箱儲(chǔ)藏柜中的溫度維持在儲(chǔ)藏柜中的溫度維持在 。 現(xiàn)每天有現(xiàn)每天有 的熱量自房間傳入冰箱內(nèi)的熱量自房間傳入冰箱內(nèi) , , 若要維持冰箱內(nèi)溫度不若要維持冰箱內(nèi)溫度不變變 , , 外界每天需作多少功外界每天需作多少功 , , 其功率為多少其功率為多少? ? （設(shè)在

12、（設(shè)在 至至 之間運(yùn)轉(zhuǎn)的致冷機(jī)的致冷系數(shù)之間運(yùn)轉(zhuǎn)的致冷機(jī)的致冷系數(shù) 是卡諾致冷機(jī)致冷系數(shù)的是卡諾致冷機(jī)致冷系數(shù)的55% ）C20C5J10027 .C5C202-2-6 卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)例例1、下列理想氣體的各種過(guò)程中，哪些可能發(fā)生？、下列理想氣體的各種過(guò)程中，哪些可能發(fā)生？哪些不能發(fā)生？為什么？哪些不能發(fā)生？為什么？ 1、內(nèi)能減少的等容加熱過(guò)程；、內(nèi)能減少的等容加熱過(guò)程； 2、吸收熱量的等溫壓縮過(guò)程；、吸收熱量的等溫壓縮過(guò)程； 3、吸收熱量的等壓壓縮過(guò)程；、吸收熱量的等壓壓縮過(guò)程； 4、內(nèi)能增加的絕熱壓縮過(guò)程；、內(nèi)能增加的絕熱壓縮過(guò)程；例例2、一定質(zhì)量的理想氣體的循環(huán)過(guò)程如圖示，試分、一定質(zhì)

13、量的理想氣體的循環(huán)過(guò)程如圖示，試分析以下過(guò)程析以下過(guò)程 Q、W的正負(fù)。的正負(fù)。1、 1 2 過(guò)程過(guò)程 2、 2 3 過(guò)程過(guò)程 3、3 1 過(guò)程過(guò)程 4、循環(huán)過(guò)程循環(huán)過(guò)程 1 2 3 1 PP3P1123T1T2T0例例3、一側(cè)面絕熱的汽缸內(nèi)盛有、一側(cè)面絕熱的汽缸內(nèi)盛有1mol的單原子分子的的單原子分子的理想氣體。氣體的溫度理想氣體。氣體的溫度T1=273K，活塞外氣壓，活塞外氣壓P0=1.01105Pa，活塞的面積，活塞的面積S=0.02m2。活塞的質(zhì)量?；钊馁|(zhì)量m=102kg（活塞絕熱、不漏氣且與汽缸壁的摩擦可（活塞絕熱、不漏氣且與汽缸壁的摩擦可忽略）。由于汽缸內(nèi)小突起物的阻礙，活塞起初停忽略）。由于汽缸內(nèi)小突起物的阻礙，活塞起初停在離汽缸底部在離汽缸底部1m處，今在底部緩慢地加熱汽缸中的處，今在底部緩慢地加熱汽缸中的氣體，使活塞上升氣體，使活塞上升0.5m。試通過(guò)計(jì)算指出（試通過(guò)計(jì)算指出（1）汽缸中的氣體經(jīng)歷的是什么過(guò)）汽缸中的氣體經(jīng)歷的是什么過(guò)程？（程？（2）汽缸中的氣體在整個(gè)過(guò)程中吸了多少熱？）汽缸中的氣體在整個(gè)過(guò)程中吸了多少熱？1m0.5m例例4、1mol的理想氣體在的理想氣體在T1=400K的高溫?zé)嵩磁c的高溫?zé)嵩磁cT2=300K的低溫?zé)嵩撮g做