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气体做功
1824年,法国青年工程师卡诺(N. L. S. Carnot, 1796—1832)发表了他关于热机效率的两个理论, 为提高热机效率指明方向。 二、卡诺循环(Carnot cycle) 5% 8% 50年 卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程组成准静态循环过程。 卡诺正循环: abcda (卡诺热机) 以下讨论理想气体的卡诺循环。 ab过程: cd过程: bc和da过程: 卡诺热机效率: 1. 最简单的循环过程。 3. 2. 卡诺循环的效率仅仅由两热源的温度决定。 结论 卡诺制冷机(adcba) 制冷系数: 热泵 例6-6 有一卡诺制冷机,从温度为-10 oC的冷藏室吸取热量,而向温度为20 oC的物体放出热量。设该制冷机所耗功率为15 kW,问每分钟从冷藏室吸取热量为多少? 每分钟做功为 每分钟从冷藏室中吸取的热量为 每分钟向温度为20 oC的物体放出的热量为 T1=293 K,T2=263 K,则 解: 思考:两卡诺循环 ,ABCDA,EFGHE,面积 求(1)效率之比,(2)吸热之比。 T1 T2 A B C D E F G H p O V 例6-7 内燃机的循环之一——奥托循环。 内燃机利用液体或气体燃料,直接在汽缸中燃烧,产生巨大的压强而做功。内燃机的种类很多,我们只举活塞经过四个过程完成一个循环(如图)的四动程汽油内燃机(奥托循环)为例,说明整个循环中各个分过程的特征,并计算这一循环的效率。 解: 奥托循环的4 个分过程如下: (1)吸入燃料过程汽缸开始吸入汽油蒸气及助燃空气,此时压强约等于1.0?105 Pa ,这是个等压过程(图中过程 ab)。 (2) 压缩过程 活塞自右向左移动,将已吸入汽缸内的混合气体加以压缩,使之体积减小,温度升高,压强增大。由于压缩较快,汽缸散热较慢,可看作一绝热过程(图中过程 bc) (3)爆炸、做功过程 在高温压缩气体中,用电火花或其他方式引起燃烧爆炸,气体压强随之骤增,由于爆炸时间短促,活塞在这一瞬间移动的距离极小,这近似是个等体过程(图中过程 cd)。这一巨大的压强把活塞向右推动而做功,同时压强也随着气体的膨胀而降低,爆炸后的做功过程可看成一绝热过程(图中过程 de)。 (4)排气过程 开放排气口,使气体压强突然降为大气压,这过程近似于一个等体过程(图中过程eb),然后再由飞轮的惯性带动活塞,使之从右向左移动,排出废气,这是个等压过程(图中过程ba)。 严格地说,上述内燃机进行的过程不能看作是个循环过程。因为过程进行中,工作物从燃料及空气变为二氧化碳、水气等废气,从汽缸向外排出不再回复到初始状态。但因内燃机做功主要是在p–V图上bcdeb这一封闭曲线所代表的过程中,我们可换用空气作为工作物,经历bcedb这个循环,而把它叫做空气奥托循环。 气体主要在循环的等体过程cd 中吸热(相当于在爆炸中产生的热),而在等体过程eb 中放热(相当于随废气而排出的热),设气体的质量为m,摩尔质量为M ,摩尔定容热容为CV,m,则在等体过程cd 中,气体吸取的热量Q1为 而在等体过程eb 中放出的热量为 所以这个循环的效率应为 把气体看作理想气体,从绝热过程de及bc可得如下关系: 两式相减得 即 实际上汽油机的效率只有25%左右。 式中r = V/V0 叫做压缩比。计算表明,压缩比愈大,效率愈高。汽油内燃机的压缩比不能大于7,否则汽油蒸气与空气的混合气体在尚未压缩至c点时温度已高到足以引起混合气体燃烧了。 设r =7,? =1.4,则 例6-8 3.2?10 -2 kg氧气作ABCD循环过程。AB和CD都为等温过程,设T1=300 K,T2=200 K,V2 =2V1。求循环效率。 解: 吸热 放热 吸热 放热 D A B C T1=300 K T2=200 K V2 V1 V p O D A B C T1=300 K T2=200 K 吸热 吸热 放热 放热 §6-4 热力学第二定律 一、 热力学第二定律 满足热力学第一定律(能量守恒)的过程一定能实现吗? 如:效率为100%的热机(单源热机)?无功冷机? 热力学第二定律是指示自发过程进行方向的规律。 孤立系统中自动进行的过程称自发过程。 如:热量能自动从高温物体传向低温物体;气体能从不平衡态自动过渡到平衡态,它们的逆过程却不会自动进行。 不可能从单一热源吸收热量,使它完全转化为功,而不引起其他变化。 如开尔文表述不成立 A T0 Q 热力学第二定律两种表述: 1.开尔文(Kelvin)表述: 指出了热功转换的方向性: 功转化为热为自发过程。 否定了第二类永动机或单源热机。
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