8.5循环过程 卡诺循环.ppt

8.5 循环过程 卡诺循环 8.5.1 循环过程 准静态循环过程在 P- V 图上用一闭合实线表示。 如果系统从某一状态出发，经历一系列的变化后，又回到了初始状态，我们称系统经历了一个循环过程。 1. 循环过程 由于经一次循环后系统又回到原状态，所以对整个循环过程总有： 在循环过程中，系统向外界放出的热量和外界对系统做的功，也习惯用正值表示。 V p O Ⅱ Ⅰ · · 正循环曲线所包围的面积，在数值上等于一次循环过程 中系统对外做的净功；也等于一次循环过程中系统从外界 获得的净热量。 2. 正循环和逆循环 沿顺时针方向进行的循环称为正循环，正循环也叫热机循环。 在一次正循环中，系统对外界做的净功为： 根据热力学第一定律，又有： Ⅰ Ⅱ Q1 Q2 a b V p O · · 沿逆时针方向进行的循环称为逆循环，逆循环也叫制冷循环。 Ⅰ Ⅱ Q1 Q2 a b V p O · · 在一次逆循环中，外界对系统做的净功为： 根据热力学第一定律，又有： 逆循环曲线所包围的面积，在数值上等于一次循环过程 中外界对系统做的净功；也等于一次循环过程中系统与外 界交换的净热量。 8.5.2 热机和热机效率 1. 热机 能够持续地将热能转换为机械能的装置，统称为热机，蒸汽机、内燃机、喷气机等都属于热机。在热机中被用来吸收热量并对外做功的物质叫工作物质，简称工质。 定义：热机的工质在一次循环中，对外所做的净功 W 与它吸收的热量 Q1 的比值，叫热机效率。 2. 热机效率（正循环效率） 在热机的工作中，我们最关心的是，一次循环中热机将吸收热量的百分之多少转变成了机械功。 高温热源 低温热源 3. 能流图 经常使用左面所示的能流图，来直观反映热机工作时的能量转换关系。 图中标明的“高温热源” 和“低温热源”都不是单一热源，它们只代表工质从外界吸热和向外界放热的部分。 单一热源是指温度处处一致且恒定不变的热源。 8.5.3 *制冷机和制冷系数 1. 制冷机（致冷机） 利用外界对系统做功，能够持续地将热量从低温热源传向高温热源的装置，统称为制冷机，制冷机也叫致冷机。冰箱和冰柜都是典型的制冷机。 让我们以冰箱为例，来了解一下制冷机的工作过程。 2. 制冷系数 在制冷机的工作中，我们最关心的是，一次循环中外界做的净功同工质从低温热源处吸取的热量之比。 定义：制冷机的工质在一次循环中，从低温热源吸取的热量 Q2 与外界对工质所做的净功 W 之比，叫制冷机的制冷系数。 高温热源 低温热源 工质 3. 能流图 制冷机也可以用来达到升温的目的。例如，我们家中的空调器。夏季，将室内作为低温热源使用，可以达到致冷的效果；冬季，将室内作为高温热源使用，又可以达到供热的效果。以此目的设计的制冷机叫热泵。 4. 热泵 将电功输入热泵，让它从室外吸取热量，这样除电功转变为热外，还额外从室外获得了一份热量，这要比单纯用电取暖（如电暖气、小太阳等）经济实惠多了。 早在1852年，开尔文就产生了利用热泵取暖的设想，可直到1927年，这种设想才成为现实。1938年开始有热泵型空调在市场上出售。 热泵型空调将两只热交换器分别置于室内和室外，并借助一个四通阀对流出压缩机的高压气体流向进行切换。 8.5.4 卡诺循环 1. 卡诺循环 19世纪初，虽然热机的使用已经相当广泛，但那时热机的效率非常低，仅为3％～5％，绝大部分热量都没有得到充分利用。1824年，法国青年工程师卡诺（1796～1832）设计出一种理想的正循环 —— 卡诺循环，并从理论（ 卡诺定理 ）上得出了这种热机效率的极限。 水从高处流向低处，依靠落差可以产生机械功，落差越大产生的机械功越多。卡诺从中得到启发，他认为热量从高温处传向低温处，也能产生机械功，温差越大产生的机械功也应该越多。根据上述想法，卡诺设计了只和两个单一热源接触的热机，这样连接两个热源之间的过程，就只能是绝热过程了。于是，卡诺循环就由两个等温和两个绝热过程组成。 a b c d p V O V1 p1 V2 p2 V3 p3 V4 p4 2. 可逆卡诺循环的效率 对 b→ c 、d→ a 应用绝热过程方程，则有： 由上面结果可见： 卡诺循环的效率只由两个热源的温度决定，与工质无关。 要特别注意，在上述卡诺循环中，我们没有考虑循环过程中存在摩擦的情况。无摩擦准静态卡诺循环又被称作可逆卡诺循环，相应的热机叫可逆卡诺热机。 有摩擦存在的卡诺循环叫不可逆卡诺循环，相应的热机叫不可逆卡诺