《大学物理》热力学基础教案.ppt

例：图示为理想气体所经历的循环过程。循环由两等温过程和两个等体过程所组成，设分子自由度i及P1、 P2、 P3、 P4为已知，求循环效率。 解： Q1 Q2 dQ=dA, dA?0, dQ ?0 dQ=dE, dE?0, dQ ? 0 P4 P3 P2 P1 P 0 V Q1 Q2 Q3 Q4 P4 P3 P2 P1 P 0 V 例：某理想气体作如图示的循环，a?b，c?d为绝热过程，b ?c为等压过程， d?a为等容过程，试证此循环的效率为 0 P V a d c b 证： b?c 等压放热过程 d?a 为等体吸热过程 Q2 Q1 为了提高热机的效率，1824年法国青年工程师卡诺设计了一种理想的循环机器，而且从理论上可以证明是效率最高的一种热机。 17世纪末发明了巴本锅和蒸汽泵，18世纪末瓦特完善了蒸汽机(增加了冷凝器，发明了活塞阀、飞轮、离心节速器等 使其成为真正的动力。 蒸汽机的改善： 扩大容量(很多人做)； 年轻的法国炮兵军官卡诺探索如何用较少的燃料获得较多的动力，以提高效率和经济效益。 2. 卡诺循环 ( Carnot cycle ) 在英国，当瓦特蒸汽机掀起了第一次工业革命的风暴 以后，科学家和技术人员对热机的研究达到了空前的狂热。但是，一般的热学家和力学家都比较重视应用技术的研究。加之象瓦特、戴维这样一些对热力学做过一些开拓工作的人大都是在自学道路上成长起来的，不太擅长于运用数学和物理学的数理抽象方法进行研究，因此，热力学的真正的理论基础建立者，并不是他们，而是兼有理论科学才能与实验科学才能的法国工程师萨迪·卡诺。 卡诺 当时，法国的蒸汽机已增加到六十五台。这个数字虽然并不大，但这使卡诺有可能对蒸汽机进行深入的研究。卡诺发现，从外国进口的蒸汽机尤其是英国制造的蒸汽机在性能方面远远超过法国产的蒸汽机。 卡诺采用一种抽象的数理分析方法，着重探讨热能与机械能的转化。运用这种科学方法，卡诺提出了一种理想热机理论，并以这种理想热机理论为基础，设想出一种理想热机。 卡诺循环 或者说，无摩擦情况下，由两个等温过程和两个绝热过程构成的循环. 在无摩擦情况下，一准静态循环过程中,若系统只和高温热源(温度T1), 与低温热源(温度T2)交换热量,这样的循环称为卡诺循环。 闭合条件: 1、4两点在同一绝热线上, T1V1? －1 = T2V4? －1 2、3两点在同一绝热线上, T1V2? －1 = T2V3? －1 两式相比有 V2/V1=V3/V4 ,此称闭合条件. 由两等温过程和两绝热过程组成。 正向卡诺循环的效率推导 指出了提高热机效率的途径。 在等温过程中，理想气体吸热全部用于对外作功。 或外界对气体作功全转换为气体放出的热。 现代“标准火力发电厂”： 卡诺循环的效率只与两个热源的温度有关。T2愈低或T1愈高，卡诺循环的效率愈大。工程上一般采取提高高温热源温度的方法。 数据概念： 致冷系数定义： 逆向卡诺循环的致冷系数 卡诺制冷系数是工作在 T1 与 T2 之间的所有致冷循环中最高. 数据概念： 可见,低温热源的温度T2 越低, 则致冷系数?卡越小, 致冷越困难. 一般致冷机 ?卡: 2?7. 若T1=293K(室温), 0.0034 0.017 0.52 3.2 13.6 ?卡 1 5 100 223 273 T2 例：一台卡诺机在温度为270C至1270C两个热源之间运转。（1）若在正循环中高温热源向热机的工作物质输送热量为5016J，问热机工作物质向低温热源放出的热量为多少？对外作功又为多少？（2）若使该机反向运转（致冷机），当低温热源向工作物质传递的热量为5016J时，该机将向高温热源放出的热量为多少？对外作功又为多少？ 解（1）对卡诺循环，其效率为 设Q1=5016J是高温热源向工作物质传递的热量。Q2是工作物质向低温热源放出的热量。A是系统对外作的功。 解（2）对卡诺致冷机，其致冷系数为 设Q2=5016J是低温热源被工作物质吸收的热量。Q1是向高温热源放出的热量。A是外界对系统作的功。 例：一台卡诺机在温度为270C至1270C两个热源之间运转。（1）若在正循环中高温热源向热机的工作物质输送热量为5016J，问热机工作物质向低温热源放出的热量为多少？对外作功又为多少？（2）若使该机反向运转（致冷机），当低温热源向工作物质传递的热量为5016J时，该机将向高温热源放出的热量为多少？对外作功又为多少？ 能量转换关系: 可见,绝热过程靠减少系统的内能来对外做功. A也可由直接计算法计算: 间接法 请大家课下证明（1），（2）的结果是一样的。 3.多方