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1、1,循环过程应用非常常见，如汽车发动机、蒸汽机等，还有冰箱、空调等，它们分别以不同的方式利用了不同种类的循环过程，最终具有了各自不同的功能。,那么，这些机器和设备是怎样利用循环过程来达到各自的目的？对于它们什么是最关键的指标？工程师设计高性能的机器和设备以及提高其性能的依据是什么呢？,5-3 循环过程及其在工程中的应用,1. 循环过程,循环过程系统由某一状态出发，经过任意一系列的状态，最后又回到原来状态的过程。E = 0。,2. 准静态循环过程,只有准静态过程在P-V图上有对应的过程曲线。准静态循环过程对应于P-V图上一封闭的曲线。,3. 正循环与逆循环,正循环在P-V图上按顺时针方向进行的循
2、环。,逆循环在P-V图上按逆时针方向进行的循环。,对如图示的正循环，由12的膨胀过程中系统对外作正功,4. 正循环过程的功能转换,由2 1的压缩过程中系统对外作负功,正循环过程中，系统对外作的总功（净功）为：,正循环,可见，正循环过程中系统对外作正功。,由12的膨胀过程中系统从高温热源（外界）吸热Q1。,由2 1的压缩过程中系统向低温热源（外界）放热Q2。,正循环过程中，系统从外界吸收的总热量（净热）为：Q1-Q2。,正循环,符号规定：在此我们规定W、Q均取绝对值。-W表示系统对外作负功，-Q表示系统向外界放热。,由热力学第一定律，,正循环,由此可见，在正循环过程中，系统从高温热源吸收的热量部
3、分用于对外作功，部分在低温热源处放出。,热机工作物质作正循环的机器。,致冷机工作物质作逆循环的机器。,逆循环,5. 逆循环过程的功能转换,系统对外作的净功 W= - W1+W20即外界对系统作功。,系统从外界吸收的净热 Q=- Q1+Q20即系统向外（高温热源）放热。,由热力学第一定律， Q=W0， Q1=Q2+W,由此可见，在逆循环过程中，外界对系统作功，把热量由低温热源传递到高温热源。,那么，外界对系统作的功可使多少热量由低温热源传到高温热源呢？这就是致冷机的效率问题。,1. 热机,把热能转换成机械能的装置称为热机，如蒸汽机、汽车发动机等。,2. 热机工作特点,需要一定工作物质。,至少需要
4、两个热源。,工作物质作正循环。,正循环,3.工作示意图,高温热源T1,低温热源T2,热机从高温热源吸取热量，一部分转变成功，另一部分放到低温热源。,4.热机效率,热机效率,如果从高温源吸取的热量转变成的功越多，则热机效率就越大。,热机 ：持续地将热量转变为功的机器 .,工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质 .,致冷机的工作物质作逆循环。通过外界对系统作功将系统由低温源吸收的热量传递到高温源，从而使低温源温度降低。,逆循环,例如：电冰箱、空调都属于致冷机。,高温热源T1,低温热源T2,1.工作示意图,致冷机是通过外界作功将低温源的热量传递到高温源中，使低温源温度降低。,2.致
5、冷系数,如果外界做一定的功，从低温源吸取的热量越多，致冷效率越大。,室外,室内,致冷系数,由能量守恒,电冰箱的工作物质为氟里昂 12 (CCL2F2)，氟里昂对大气的臭氧层有破坏的作用，2005 年我国将停止使用氟里昂作致冷剂。以保护臭氧层。溴化锂致冷和半导体致冷已进入市场。,节流阀,冷凝器,压缩机,冰室,3.电冰箱工作原理,冰箱循环示意图,空调机不仅可以制冷，而且也可制热。将其称为热泵。,高温热源T1,低温热源T2,室外,室内,热泵是通过外界作功，将低温源（室外）的热量泵到高温源（室内），与制冷机顺序相反。,1.供暖系数,如果外界做一定的功，泵到高温源的热量越多，供暖系数就越大。,由能量守恒
6、,例：一热机以1mol双原子分子气体为工作物质，循环曲线如图所示，其中AB为等温过程，TA=1300K，TC=300K。 求.各过程的内能增量、功、和热量；,.热机效率。,解：,A-B为等温膨胀过程,B-C为等压压缩过程,吸热,放热,或由热力学第一定律,C-A为等容升压过程,放热,.热机效率,一个循环中的内能增量为：,经过一个循环内能不变。,吸热,1.卡诺正循环与卡诺热机,卡诺循环工作物质只与两个恒温热源交换热量的循环。正、逆循环分别对应于卡诺热机和制冷机。,准静态卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程构成的循环。,2. 理想气体准静态卡诺循环 及其效率,在此仅限于讨论准静态卡诺循环。,正循环与
7、功能转换,吸热,3 - 4 等温收缩过程,放热,1 - 2 的等温膨胀过程,2 3的绝热膨胀过程,4 1的绝热压缩过程,整个循环过程中系统吸收的净热等于系统对外的功,效率,由2 -3和4-1的 绝热膨胀和压缩过程方程,上两式相比,即,可见，理想气体准静态卡诺循环的效率只由高低温热源的热力学温度决定，与具体的工作物质无关。,卡诺热机的效率,3.提高热机效率的方法。,T2/T1越小越好，但低温热源的温度通常为外界大气的温度，难以人为地改变。因此通常以提高高温热源的温度来提高热机的效率。,30,例题2 地热发电机 地热发电的基本原理是利用无止尽的地热来加热地下水，使其成为过热蒸汽，以其作为工作流体推
8、动涡轮机旋转发电。换言之，即将地热转换为机械能，再将机械能转换为电能；这种以蒸汽来旋转涡轮的方式，和火力发电的原理是相同的。假设在地球上某地挖一个深井，将一台地热发电机置于其中，设地热发电机利用卡诺循环进行工作，其工作的温度在地表25和地下300 之间，如果它每小时能从地下热源获取2 1011J的热量，该发电机的输出功率为多少？,31,解：根据卡诺热机的循环效率可得，地热发电机的热机效率为,则发电机每小时对外做的功为,发电机的输出功率为,32,汽车发动机热机,汽油机的循环过程,一般汽车发动机的循环过程由两个等容过程和两个绝热组成，其中AB和CD为绝热过程，该循环过程决定了发动机的关键性技术指标
9、热机效率。,33,汽车发动的热机效率为,其中，TA为燃料燃烧前的温度， TA为燃料燃烧后的温度；V1为气体压缩前的体积，V2为气体压缩后的体积。,34,提高汽车发动机效率的途径,（1）提高高温热源的温度（发动机本身的温度），陶瓷外壳的发动机（2）提高发动机的压缩比（用压缩前的气缸总容积与压缩后的气缸容积）,4.卡诺逆循环与卡诺制冷机,完全类似于卡诺正循环的分析，可以证明，理想气体准静态卡诺逆循环（制冷机）的制冷系数为,2-1等温压缩放出的热量,4-3等温膨胀吸收的热量,外界对系统的功等于系统放出的净热,36,例题 1 家用冰箱的制冷系数一般约为5，若一台冰箱被放在温度为27的厨房中，冰箱冷冻室
10、内的温度为-18 每天有大约的5 106热量自厨房传递入冰箱内。（1）在不考虑其它因素的条件下，要使冰箱冷冻室保持-18 冰箱每天要做多少功？此冰箱每月的耗电量是多少？（2）如果此冰箱为理想的卡诺制冷机，每月耗电量又为多少？,37,解：（1）设e为制冷机的制冷系数， Q1为冰箱传递给高温热源（厨房）的热量，Q2为制冷机从冷冻室吸收的热量,由,得,冰箱传递给高温热源（厨房）的热量为,38,冰箱每天做功为,因此，此冰箱每天的耗电量为,39,（2）假设T2为冷冻室温度，T1为厨房内的温度，则根据卡诺制冷机的制冷系数可得,可求得冰箱每天的耗电量为3.66 kWh,可见，在制冷循环过程中，卡诺制冷机效率
11、最高，耗能最低。,补充： 例1.某理想气体分别进行了如图所示的两个卡诺循环：I（abcda）和 II（abcda），且两条循环曲线所围面积相等。设循环的效率为 ，每次循环在高温热源处吸的热量为 Q，循环 II 的效率为 ，每次循环在高温热源处吸的热量为Q，则, B ,（A）,QQ,（B）Q,（C）,QQ ,（D）,QQ .,例2.理想气体卡诺循环过程的两条绝热线下的面积大小（图中阴影部分）分别为S1和S2，则二者的大小关系是：,（A）S1S2；（B）S1=S2；（C）S1S2；（D）无法确定。, B ,两绝热过程内能变化大小相同，所以功大小相等,例3. 两个循环过程，,过程2 12 等温、23
12、 等容、34等压、41 绝热。,过程1 12 等温、23 绝热、34 等压、41 绝热。,试比较哪个过程热机效率高。,两个过程吸热是一样的，,但循环面积不同，循环过程作功不同，,解答：,例4.一定量某理想气体所经历的循环过程是：从初态（V0，T0）开始，先经绝热膨胀使其体积增大 1 倍，再经等容升温回复到初态温度 T0，最后经等温过程使其体积回复为 V0，则气体在此循环过程中：,（A）对外作的净功为正值；（B）对外作的净功为负值；（C）内能增加了；（D）从外界吸收的净热量为正值。, B ,整个过程内能无变化，所以逆循环对外净功为负，并放出热量,例5.一定的理想气体,分别经历了上图的 abc 的
13、过程,（上图中虚线为 ac 等温线）,和下图的 def 过程（下图中虚线 df 为绝热线）,判断这两个过程是吸热还是放热。, A ,（A）abc 过程吸热, def 过程放热；（B）abc 过程放热, def 过程吸热；（C）abc 过程和 def 过程都吸热；（D）abc 过程和 def 过程都放热。,上图：a、c两态内能相等，作正功，所以吸收热量。,下图：d-e-f-d循环过程内能变化为0，对外作负功，整个过程放出的热量即为d-e-f过程放出的热量。,例6.如图示，有一定量的理想气体，从初状态 a（P1,V1）开始，经过一个等容过程达到压强为 P1/4 的 b 态，再经过一个等压过程达到状态 c ,最后经等温过程而完成一个循环，求该循环过程中系统对外作的功 W 和净吸热量 Q。,解：设状态 C 的体积为 V2，则由 a、c 两状态的温度相同，故有，,又：循环过程,而在 ab 等容过程中功,在 bc 等压过程中功,在 ca 的过程,在整个循环过程系统对外作的功和吸收的热量为,负号说明外界对系统作功、系统对外放热。,1.热机效率,2.致冷系数,3.供暖系数,4.卡诺热机效率,
