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1、大学物理电子教案,循环过程与卡诺循环,3-3.1 循环过程 卡诺循环循环过程卡诺循环,热机发展简介 1698年萨维利和1705年纽可门先后发明了蒸汽机，当时蒸汽机的效率极低,1765年瓦特进行了重大改进，大大提高了效率.人们一直在为提高热机的效率而努力,从理论上研究热机效率问题，一方面指明了提高效率的方向，另一方面也推动了热学理论的发展.,在热机中被用来吸收热量并对外作功的物质叫工作物质，简称工质。工质往往经历着循环过程，即经历一系列变化又回到初始状态。,2、特点：若循环的每一阶段都是准静态过程，则一个循环过程可用P-V图上的一条闭合曲线表示。工质在整个循环过程中对外作的净功等于曲线所包围的面
2、积。系统经过一个循环以后，系统的内能没有变化；,3-3.1 循环过程 卡诺循环,一、循环过程,1、定义：系统经过一系列状态变化以后，又回到原来状态的过程叫作热力学系统的循环过程，简称循环。,热力学第一定律,特征,循环过程的特点：,工质在整个循环过程中对外作的净功等于曲线所包围的面积。,沿顺时针方向进行的循环称为正循环。沿逆时针方向进行的循环称为逆循环。,二、热机和制冷机,1、循环过程的分类,2、热机,工作物质作正循环的机器，称为热机；它是把热量持续不断地转化为功的机器。如:蒸汽机、内燃机,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作功的物质.,高温热源,
3、低温热源,正循环的特征：一定质量的工质在一次循环过程中要从高温热源吸热Q1，对外作净功W，又向低温热源放出热量Q2,并且工质回到初态，内能不变。工质经一循环：W=Q1-Q2,热机效率或循环效率：表示热机的效率,注意：W和Q均为绝对值,W为工作物质对外所作的净功,Q1为工作物质吸收的热量,逆循环的特征：在一个循环中，外界作功W，从低温热源吸收热量Q2，向高温热源放出热量Q1。并且工质回到初态，内能不变。W=Q1-Q2,制冷系数：表示制冷机的效率,3、制冷机,工作物质作逆循环的机器，它是通过外界对系统做功，实现把热量从低温热源（冷藏室）抽到高温热源（室外环境）的机器。,空调、冰箱,冰箱循环示意图,
4、低温热源,高温热源,补充例题.1 mol 氦气经过如图所示的循环过程，其中P2=2P1,V4=2V1,求:(1).热机的效率.1-2、2-3、3-4、4-1各过程中气体吸收的热量；,解:（1）由理想气体状态方程得,（2）全过程吸收的热量为:,全过程对外界作的功为:,Q1是指在一个循环过程中的总吸收热量！,补充习题:一个以氧气为工质的循环由等温、等压、等体三个过程组成，已知：,求：其循环效率？,注意：,三、卡诺循环,法国工程师、热力学的创始人之一。他创造性地用“理想实验”的思维方法，提出了最简单、但有重要理论意义的热机循环卡诺循环，创造了一部理想的热机卡诺热机。1824年卡诺提出了对热机设计具有
5、普遍指导意义的卡诺定理，指出了提高热机效率的有效途径。,概念：卡诺循环过程由四个准静态过程组成，其中两个是等温过程和两个是绝热过程组成。卡诺循环是一种理想化的模型。,分类正循环卡诺热机逆循环卡诺制冷机,1、卡诺循环,AB：等温膨胀过程，体积由V1膨胀到V2，内能没有变化，系统从高温热源T1吸收的热量全部用来对外作功:,BC：绝热膨胀，体积由V2变到V3，系统不吸收热量，对外所作功等于系统减少的内能:,2、卡诺热机：正循环,卡诺热机的四个过程,W和Q均为绝对值！,CD：等温压缩过程：体积由V3压缩到V4，内能变化为零，系统对外界所作的功等于向低温热源T2放出的热量:,DA：绝热压缩过程：体积由V
6、4变到V1，系统不吸收热量，外界对系统所作功等于系统增加的内能。,在一次循环中，系统对外界所作的净功为|W|=Q1-Q2,理想气体卡诺循环的效率只与两热源的温度有关,卡诺热机效率:,应用绝热方程,BC过程,DA过程,两式比较,卡诺热机的效率只由高温热源和低温热源的温度决定，与工作物质无关；高温热源温度越高，低温热源温度越低，则循环效率越高；,说明：,实际情况：高温热源的温度不可能无限制地提高，低温热源的温度也不可能达到绝对零度。因而热机的效率总是小于1的，即不可能把从高温热源所吸收的热量全部用来对外界作功。,工质把从低温热源吸收的热量和外界对它所作的功以热量的形式传给高温热源，其结果可使低温热
7、源的温度更低，达到制冷的目的。吸热越多，外界作功越少，表明制冷机效能越好。则制冷系数：,3、卡诺制冷机：逆循环,制冷机的工作原理,制冷系数,图中两卡诺循环 吗？,补 充:在400K和300 K高低温热源间工作的理想卡诺热机，若每个循环对外作净功300J，则每个循环热机从高温热源吸收的热量为（）A.1200J,B.45J,C.400J,D.2000J,P134，例题3-5 在400K和300 K高低温热源间工作的理想卡诺热机，若每个循环气体对外作净功W=8000J，如果维持低温热源的温度不变，提高高温热源的温度，使其一个循环对外作的净功增加到W=10000J，并且两次卡诺循环都工作在相同的两绝热过程之间，试求：1.第二次循环的效率2.第二次循环的高温热源的温度T1,P135，例题3-6,小 结,循环过程热机和制冷机卡诺循环效率,作业：P152 练习题：2，4，7，9，10，11，13 3-7，求abca的循环效率？3-10，(3).求循环效率？,
