大學物理-熱力學基礎(chǔ)教案

1系統(tǒng)經(jīng)過一系列的變化之后又回到原來狀態(tài)–––

這一過程稱循環(huán)過程(簡稱循環(huán))。§4循環(huán)過程和循環(huán)效率循環(huán)過程：特征：E=0Q=A1.正循環(huán)(熱機)PV0abcdT1Q1T2泵|A|氣缸Q222.熱機效率A一次循環(huán)對外作的凈功

T1

T2高溫低溫Q1AQ2熱機循環(huán)效率在一正循環(huán)中,系統(tǒng)從高溫熱源吸熱

Q1

向低溫熱源放熱33.逆循環(huán)(致冷機)逆循環(huán)是利用外界做功從低溫熱源吸熱，向高溫熱源放熱的機器。這樣的機器稱致冷機，如冰箱。4.致冷系數(shù)A一次循環(huán)對系統(tǒng)作的凈功Q2一次循環(huán)從低溫

熱源吸收的熱量4A高溫熱源低溫熱源Q2Q1(冷凍室)(周圍環(huán)境)散熱器冷凍室蒸發(fā)器節(jié)流閥儲液器壓縮機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。氨氣在壓縮機內(nèi)被急速壓縮，使其壓強增大，且溫度升高。進入散熱器（高溫熱源）后，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)過節(jié)流閥的小孔通道后，降壓降溫并且部分汽化，再進入蒸發(fā)器。液態(tài)氨將從冷凍室（低溫熱源）中吸熱，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進行下一個循環(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空氣標準奧托循環(huán)理論上研究實際過程中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系時，總是用一定質(zhì)量的空氣（理想氣體）進行的準靜態(tài)過程來代替實際的過程。(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(相當于點火爆燃過程)

bc,氣體從(V2,T2)狀態(tài)變化到(V2,T3)狀態(tài);(3)絕熱膨脹(相當于氣體膨脹對外作功過程)

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空氣標準奧托循環(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(相當于點火爆燃過程)

bc,氣體從(V2,T2)狀態(tài)變化到(V2,T3)狀態(tài);(3)絕熱膨脹(相當于氣體膨脹對外作功過程)

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理想氣體等值過程和絕熱過程有關(guān)公式或或23例：圖示為理想氣體所經(jīng)歷的循環(huán)過程。循環(huán)由兩等溫過程和兩個等體過程所組成，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為絕熱過程，bc為等壓過程，

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

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

17世紀末發(fā)明了巴本鍋和蒸汽泵，18世紀末瓦特完善了蒸汽機(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力。

蒸汽機的改善：擴大容量(很多人做)；

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

2.卡諾循環(huán)

(Carnotcycle)27

在英國，當瓦特蒸汽機掀起了第一次工業(yè)革命的風暴以后，科學家和技術(shù)人員對熱機的研究達到了空前的狂熱。但是，一般的熱學家和力學家都比較重視應(yīng)用技術(shù)的研究。加之象瓦特、戴維這樣一些對熱力學做過一些開拓工作的人大都是在自學道路上成長起來的，不太擅長于運用數(shù)學和物理學的數(shù)理抽象方法進行研究，因此，熱力學的真正的理論基礎(chǔ)建立者，并不是他們，而是兼有理論科學才能與實驗科學才能的法國工程師薩迪·卡諾。卡諾

當時，法國的蒸汽機已增加到六十五臺。這個數(shù)字雖然并不大，但這使卡諾有可能對蒸汽機進行深入的研究。卡諾發(fā)現(xiàn)，從外國進口的蒸汽機尤其是英國制造的蒸汽機在性能方面遠遠超過法國產(chǎn)的蒸汽機。

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

在無摩擦情況下，一準靜態(tài)循環(huán)過程中,若系統(tǒng)只和高溫熱源(溫度T1),與低溫熱源(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、4兩點在同一絕熱線上,

T1V1

－1=

T2V4－1

2、3兩點在同一絕熱線上,

T1V2

－1=

T2V3－1

兩式相比有

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

在等溫過程中，理想氣體吸熱全部用于對外作功。

或外界對氣體作功全轉(zhuǎn)換為氣體放出的熱。30現(xiàn)代“標準火力發(fā)電廠”：卡諾循環(huán)的效率只與兩個熱源的溫度有關(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熱源溫度的方法。數(shù)據(jù)概念：31數(shù)據(jù)概念：

可見,低溫熱源的溫度T2越低,則致冷系數(shù)卡越小,致冷越困難.一般致冷機卡:27.若T1=293K(室溫),32兩種表述是等價的。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

帶動一卡諾致冷機

C其復(fù)合機的總效果，違背了克勞修斯表述。反證法：Q1+Q2Q2c

T1

T2AkQ133

T1Q2Q2c

T2復(fù)合機Q1+Q2Q2c

T1

T2AkQ1