大學(xué)物理-熱力學(xué)基礎(chǔ)教案

1系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一系列的變化之后又回到原來(lái)狀態(tài)–––

這一過(guò)程稱循環(huán)過(guò)程(簡(jiǎn)稱循環(huán))。§4循環(huán)過(guò)程和循環(huán)效率循環(huán)過(guò)程：特征：E=0Q=A1.正循環(huán)(熱機(jī))PV0abcdT1Q1T2泵|A|氣缸Q222.熱機(jī)效率A一次循環(huán)對(duì)外作的凈功

T1

T2高溫低溫Q1AQ2熱機(jī)循環(huán)效率在一正循環(huán)中,系統(tǒng)從高溫?zé)嵩次鼰?/p>

Q1

向低溫?zé)嵩捶艧?3.逆循環(huán)(致冷機(jī))逆循環(huán)是利用外界做功從低溫?zé)嵩次鼰?，向高溫?zé)嵩捶艧岬臋C(jī)器。這樣的機(jī)器稱致冷機(jī)，如冰箱。4.致冷系數(shù)A一次循環(huán)對(duì)系統(tǒng)作的凈功Q2一次循環(huán)從低溫

熱源吸收的熱量4A高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩碤2Q1(冷凍室)(周圍環(huán)境)散熱器冷凍室蒸發(fā)器節(jié)流閥儲(chǔ)液器壓縮機(jī)200C10atm3atm700C100CQ2Q1氟利昂家用電冰箱循環(huán)示意圖電冰箱的工作原理工質(zhì)用較易液化的物資，如氨和氟里昂。氨氣在壓縮機(jī)內(nèi)被急速壓縮，使其壓強(qiáng)增大，且溫度升高。進(jìn)入散熱器（高溫?zé)嵩矗┖?，由于向冷卻水（或周圍空氣）放熱而凝結(jié)為液態(tài)氨。液態(tài)氨經(jīng)過(guò)節(jié)流閥的小孔通道后，降壓降溫并且部分汽化，再進(jìn)入蒸發(fā)器。液態(tài)氨將從冷凍室（低溫?zé)嵩矗┲形鼰?，使冷凍室溫度降低而自身全部蒸發(fā)為蒸汽。此氨蒸汽最后被吸入壓氣機(jī)進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)?；疚锢碓恚何矬w相變氣態(tài)液態(tài)，放熱液態(tài)氣態(tài)，吸熱5技術(shù)上的循環(huán)：奧托(Otto)循環(huán)0V0VVPabcde簡(jiǎn)化后VVPbdecV00a1.吸氣

ab(等壓),2.壓縮

bc(絕熱),3.爆燃作功cd爆燃(等容),de作功(絕熱),4.

排氣eb(等容),

ba(等壓)。壓縮比：6奧托循環(huán)7奧托循環(huán)8奧托循環(huán)9奧托循環(huán)10奧托循環(huán)11奧托循環(huán)12奧托循環(huán)13奧托循環(huán)14奧托循環(huán)15奧托循環(huán)16奧托循環(huán)17奧托循環(huán)18奧托循環(huán)19奧托循環(huán)20空氣標(biāo)準(zhǔn)奧托循環(huán)理論上研究實(shí)際過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系時(shí)，總是用一定質(zhì)量的空氣（理想氣體）進(jìn)行的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程來(lái)代替實(shí)際的過(guò)程。(1)絕熱壓縮

ab,氣體從(V1,T1)狀態(tài)變化到(V2,T2)狀態(tài);(2)等容吸熱(相當(dāng)于點(diǎn)火爆燃過(guò)程)

bc,氣體從(V2,T2)狀態(tài)變化到(V2,T3)狀態(tài);(3)絕熱膨脹(相當(dāng)于氣體膨脹對(duì)外作功過(guò)程)

cd,氣體從(V2,T3)狀態(tài)變化到(V1,T4)狀態(tài);(4)等容放熱da,氣體從(V1,T4)狀態(tài)回到(V1,T1)狀態(tài)。V1V2VPa(V1,T1)b(V2,T2)c(V2,T3)d(V1,T4)21空氣標(biāo)準(zhǔn)奧托循環(huán)V1V2VPabcdQ1Q2(1)絕熱壓縮

ab,氣體從(V1,T1)狀態(tài)變化到(V2,T2)狀態(tài);(2)等容吸熱(相當(dāng)于點(diǎn)火爆燃過(guò)程)

bc,氣體從(V2,T2)狀態(tài)變化到(V2,T3)狀態(tài);(3)絕熱膨脹(相當(dāng)于氣體膨脹對(duì)外作功過(guò)程)

cd,氣體從(V2,T3)狀態(tài)變化到(V1,T4)狀態(tài);(4)等容放熱da,氣體從(V1,T4)狀態(tài)回到(V1,T1)狀態(tài)。22理想氣體等值過(guò)程和絕熱過(guò)程有關(guān)公式或或23例：圖示為理想氣體所經(jīng)歷的循環(huán)過(guò)程。循環(huán)由兩等溫過(guò)程和兩個(gè)等體過(guò)程所組成，設(shè)分子自由度i及P1、P2、P3、P4為已知，求循環(huán)效率。解：Q1Q2dQ=dA,dA0,dQ0dQ=dE,dE0,dQ0P4P3P2P1P0V24Q1Q2Q3Q4P4P3P2P1P0V25例：某理想氣體作如圖示的循環(huán)，ab，cd為絕熱過(guò)程，bc為等壓過(guò)程，

da為等容過(guò)程，試證此循環(huán)的效率為0PVadcb證：bc等壓放熱過(guò)程da為等體吸熱過(guò)程Q2Q126

為了提高熱機(jī)的效率，1824年法國(guó)青年工程師卡諾設(shè)計(jì)了一種理想的循環(huán)機(jī)器，而且從理論上可以證明是效率最高的一種熱機(jī)。

17世紀(jì)末發(fā)明了巴本鍋和蒸汽泵，18世紀(jì)末瓦特完善了蒸汽機(jī)(增加了冷凝器，發(fā)明了活塞閥、飛輪、離心節(jié)速器等使其成為真正的動(dòng)力。

蒸汽機(jī)的改善：擴(kuò)大容量(很多人做)；

年輕的法國(guó)炮兵軍官卡諾探索如何用較少的燃料獲得較多的動(dòng)力，以提高效率和經(jīng)濟(jì)效益。

2.卡諾循環(huán)

(Carnotcycle)27

在英國(guó)，當(dāng)瓦特蒸汽機(jī)掀起了第一次工業(yè)革命的風(fēng)暴以后，科學(xué)家和技術(shù)人員對(duì)熱機(jī)的研究達(dá)到了空前的狂熱。但是，一般的熱學(xué)家和力學(xué)家都比較重視應(yīng)用技術(shù)的研究。加之象瓦特、戴維這樣一些對(duì)熱力學(xué)做過(guò)一些開拓工作的人大都是在自學(xué)道路上成長(zhǎng)起來(lái)的，不太擅長(zhǎng)于運(yùn)用數(shù)學(xué)和物理學(xué)的數(shù)理抽象方法進(jìn)行研究，因此，熱力學(xué)的真正的理論基礎(chǔ)建立者，并不是他們，而是兼有理論科學(xué)才能與實(shí)驗(yàn)科學(xué)才能的法國(guó)工程師薩迪·卡諾?？ㄖZ

當(dāng)時(shí)，法國(guó)的蒸汽機(jī)已增加到六十五臺(tái)。這個(gè)數(shù)字雖然并不大，但這使卡諾有可能對(duì)蒸汽機(jī)進(jìn)行深入的研究?？ㄖZ發(fā)現(xiàn)，從外國(guó)進(jìn)口的蒸汽機(jī)尤其是英國(guó)制造的蒸汽機(jī)在性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)法國(guó)產(chǎn)的蒸汽機(jī)。

卡諾采用一種抽象的數(shù)理分析方法，著重探討熱能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。運(yùn)用這種科學(xué)方法，卡諾提出了一種理想熱機(jī)理論，并以這種理想熱機(jī)理論為基礎(chǔ)，設(shè)想出一種理想熱機(jī)。28卡諾循環(huán)或者說(shuō)，無(wú)摩擦情況下，由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程構(gòu)成的循環(huán).

在無(wú)摩擦情況下，一準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過(guò)程中,若系統(tǒng)只和高溫?zé)嵩?溫度T1),與低溫?zé)嵩?溫度T2)交換熱量,這樣的循環(huán)稱為卡諾循環(huán)。閉合條件:

1、4兩點(diǎn)在同一絕熱線上,

T1V1

－1=

T2V4－1

2、3兩點(diǎn)在同一絕熱線上,

T1V2

－1=

T2V3－1

兩式相比有

V2/V1=V3/V4,此稱閉合條件.29由兩等溫過(guò)程和兩絕熱過(guò)程組成。正向卡諾循環(huán)的效率推導(dǎo)指出了提高熱機(jī)效率的途徑。

在等溫過(guò)程中，理想氣體吸熱全部用于對(duì)外作功。

或外界對(duì)氣體作功全轉(zhuǎn)換為氣體放出的熱。30現(xiàn)代“標(biāo)準(zhǔn)火力發(fā)電廠”：卡諾循環(huán)的效率只與兩個(gè)熱源的溫度有關(guān)。T2愈低或T1愈高，卡諾循環(huán)的效率愈大。工程上一般采取提高高溫?zé)嵩礈囟鹊姆椒?。?shù)據(jù)概念：31數(shù)據(jù)概念：

可見,低溫?zé)嵩吹臏囟萒2越低,則致冷系數(shù)卡越小,致冷越困難.一般致冷機(jī)卡:27.若T1=293K(室溫),32兩種表述是等價(jià)的。證明I：若開爾文表述不成立，那么克勞修斯表述也不成立。開爾文表述不成立，(有一循環(huán)

k)將功

A

帶動(dòng)一卡諾致冷機(jī)

C其復(fù)合機(jī)的總效果，違背了克勞修斯表述。反證法：Q1+Q2Q2c

T1

T2AkQ133

T1Q2Q2c

T2復(fù)合機(jī)Q1+Q2Q2c

T1

T2AkQ1