07-4循环过程

nullnull从古老的蒸汽机到今天的喷气发动机，虽然技术不断进步，但用到的物理学原理并没有改变7-4 循环过程 卡诺循环null研究热力学的重要目的是想根据热力学的基本原理，利用热能来实现对外做功的目的为了能持续不断地把热量转化为机械能，就要使系统在将热转变为功以后还要能回到初始状态，因此系统的工作过程就是一个循环过程热力学系统对外做功是通过气体体积的膨胀来实现的单纯利用气体体积的膨胀不可能达到持续做功的目的null做循环过程的物质系统称为工作物质，简称工质1 循环过程：系统从某一状态出发，经过一系列连续的状态变化后，又回到初始状态的过程如果循环的每一阶段都是准静态过程，那么该循环可以在状态图上表示成一条闭合曲线，闭合曲线上的箭头就表示该循环过程进行的方向 系统完成一次循环过程，回到初始状态，系统内能的增量为零，这是循环过程的重要特征nullp-V 图上沿顺时针方向进行的循环称为正循环p-V 图上沿逆时针方向进行的循环称为逆循环正循环系统对外界做净功逆循环外界对系统做净功能够实现正循环的装置称为热机，正循环又称为热循环能够实现逆循环的装置称为制冷机，逆循环又称为制冷循环null对于一个完整的循环，系统内能的增量为零——Q1表示系统与高温热源交换的总热量在正循环和逆循环过程中，热量和功的传递方向都是确定的，我们感兴趣的是它们的绝对值，我们规定对于一个完整的循环过程——Q1、Q2、W 均为正值Q2表示系统与低温热源交换的总热量W 表示系统做的总功正循环系统吸收热量，用来对外界做功逆循环系统释放热量，外界对系统做功nullbca为理想气体的绝热过程，b1a和b2a是任意过程，上述两过程中气体做功是正还是负，吸热还是放热？ba系统体积减小，外界对系统做功，所以b1a和b2a两过程气体都做负功null把acb1a看做正循环过程 正循环过程系统对外做净功 系统需要从外界吸收热量 因为acb是绝热过程 所以b1a必然是吸热过程把acb2a看做逆循环过程 逆循环过程外界对系统做功 系统需要向外界释放热量 因为acb是绝热过程 所以b2a必然是放热过程null一定量的理想气体经历acb 过程时吸热500 J。则经历acbda 过程时，吸热为A –1200 J B –700 J C –400 J D 700 J√nullC1→2：体积增大，温度升高吸热2→3：体积不变，温度降低放热3→1：体积降低，温度不变放热null热机从高温热源吸收Q1的热量，使工质的内能增加 通过对外做功，使工质的内能减小 再通过向低温热源释放Q2的热量，使工质的内能进一步减小回到原来的状态，完成一个正循环的过程2 热机：能够持续地把热量转化为机械能根据热一定律，工质对外做功热机的循环效率（所得与所付出的代价之比）null例1 1mol氦气经过如图所示的循环过程，其中p2=2p1 ， V2 =2V1 。求该循环的效率A: ( p1， V1 ， T1 ) B: ( 2p1， V1 ， T2 ) C: ( 2p1，2V1 ， T3 ) D: ( p1， 2V1 ， T4 )T2 =2T1， T3=4T1， T4=2T1氦气（He）是单原子气体：i=3A: ( p1， V1 ， T1 ) B: ( 2p1， V1 ， 2T1 ) C: ( 2p1，2V1 ， 4T1 ) D: ( p1， 2V1 ， 2T1 )nullAB:等体过程 T1 2T1吸热BC:等压过程 2T1 4T1 吸热CD:等体过程 4T1 2 T1 放热DA:等压过程 2T1 T1 放热A: T1 B: 2T1 C: 4T1 D: 2T1 null整个过程系统吸收的热量整个过程系统放出的热量null3 制冷机：通过外界对系统做W 的功 系统从低温热源吸收Q2的热量 再向高温热源放出Q1的热量，使制冷机回到原来的状态通过外界做功，把热量从低温热源传到高温热源根据热力学一定律逆循环的制冷系数null思考：一直敞开冰箱门能制冷整个房间吗？打开冰箱凉快一下！null例2 一电冰箱在温度为30℃的房间里内工作 ，冰箱冷冻室中的温度保持在-5℃。由于电冰箱的绝热层不是完全隔热，每天要有2.0×107J 的热量从房间传入冰箱内 , 如果要保持电冰箱冷冻室温度不变 ，电冰箱每天的耗电量应该是多少? （设电冰箱的制冷系数为10 ）null从外界传入冰箱的热量冰箱要保持原有温度不变——释放给房间由制冷机的制冷系数——制冷机从低温热源吸收的热量制冷机向高温热源释放的热量null电冰箱每天需作的功电冰箱每天的耗电量nulle≤55% 1级 55%＜e≤65% 2级 65%＜e≤80% 3级 80%＜e≤90% 4级 90%＜e≤100% 5级电冰箱能效等级 能效指标=（实测耗电量/耗电量限定值）×100% null制冷机中使用的工作物质叫制冷剂，理想的制冷剂应当是沸点低、汽化热大，蒸汽比容小，不易燃，不易爆，无毒、无腐蚀工业制冷剂是氨NH3，民用制冷剂是氟里昂：F-12 （CF2Cl2）和 F-22 （CHF2Cl）通用公司于1928年首次合成出氟里昂，它的化学性质很稳定，不易与其他物质发生反应，无毒无腐蚀null 在氟里昂投入商业生产后大约过了半个世纪，科学家突然意识到这些不活泼的气体分子会漂散到哪里去了，它们在那里的情况如何？ 由于氟里昂分子不活泼而且是气态的，它们在较低的大气层中不会被化学分解或被雨水清除掉，所以它们要慢慢地漂升到同温层里去null1974年两位化学家莫利纳和罗兰提出了一个令人惊恐的可能性：同温层里的氟里昂，会被来自太阳的高能紫外辐射分解掉，同时释放出大量的氯 氯可以瓦解臭氧，一个氯原子大概能瓦解十万个臭氧分子（他们因此获得1995年的诺贝尔化学奖）null臭氧层阻挡了来自太阳的99%的紫外线，是地球生物除氧气和水以外的第三生命要素 目前地球上的臭氧空洞有三个，分别位于南极、北极和青藏高原根据《蒙特利尔议定书》，发达国家禁用氟里昂的时限为1996年，发展中国家为2010年 真正无氟里昂制冷剂是R600a（C4H10，异丁烷），其他制冷剂中依然可能含有氟里昂（或氟氯化合物）null实际的热机分为两类：外燃机（蒸汽机）和内燃机（汽油机、柴油机），两类热机都需要在循环的某个时刻使汽缸内气体的温度和压强升得很高，只不过外燃机是靠汽缸外的锅炉来实现的，而内燃机是靠汽缸内燃料的化学反应来产生的瓦特认识到蒸汽机把它大部分的热量都浪费在加热汽缸壁上，所以瓦特的想法就是让蒸汽在汽缸外面冷却，这样汽缸就总能保持较高的温度。经过瓦特的改造，蒸汽机就成为一种实用的动力装置在瓦特之后，工程师竞相出各种方案来提高蒸汽机的效率，但这个效率始终不很高（3%~5%）null在18世纪，提高热机效率的工作被认为是一门技艺，没有什么量化的科学基础，对蒸汽机的改进也是基于亲身实验的积累，不断地试验、犯错、再试验…从蒸汽中我们究竟能获得多少功呢？这个问题在当时即使有人问，也没有人能回答 尽管对蒸汽机已经做了各种各样的研究，也不管如今它们已经达到的令人满意的状态，关于它们的理论却很少有进步，那些改进它们的企图几乎还只是在听命于机遇… ——S.卡诺null 为了以最普遍的形式来考虑热产生运动的原理，就必须撇开任何的结构或任何特殊的工作物质来进行考虑，就必须不仅建立蒸汽机原理，而且要建立所有假想的热机的原理，不论在这种热机里用的是什么工作物质，也不论以什么方法来运转它们… ——S.卡诺, The Motive Power of Heat（1824）nullA→B 等温膨胀吸热B→C 气体绝热膨胀 D→A 气体绝热压缩C→D 等温压缩放热卡诺正循环4卡诺循环:由四个准静态过程组成，其中两个是等温过程，两个是绝热过程null卡诺热机的循环效率null讨论：卡诺循环的效率只与这两个热源的温度有关，在 p-V 图上，两条等温线相距越远，循环曲线所围成的面积越大（代表净功值），卡诺循环的效率愈大因为T1不可能无限大，T2也不可能达到绝对零度，所以卡诺循环的效率总小于1nullD循环曲线的面积是循环过程系统对外做的净功，也是系统从外界吸收的热量nullDnull卡诺逆循环（卡诺制冷机）的制冷系数卡诺循环完全可以沿着相反的方向进行——null设高温热源的温度为T1=450 K , 低温热源的温度为T2 =300 K, 卡诺热机逆向循环时从低温热源吸热 Q2=400 J，该卡诺热机逆向循环一次需要外界做的功null卡诺热机的循环效率卡诺制冷机的制冷系数null一个作可逆卡诺循环的热机，其效率为，它逆向运转时便成为一台致冷机，该致冷机的致冷系数，试求两者的关系循环效率制冷系数null卡诺回答了一个一直困扰工程师的重大问题——热机的最高效率可以达到多少？工作在同样高低温热源之间的一切热机的效率都不可能超过卡诺热机因为在卡诺循环中还有一个我们尚未揭示的关键点！null卡诺就读于巴黎综合理工学院，拉格朗日、拉普拉斯、傅立叶、贝托雷、安培、杜朗在此任教，柯西、科里奥利、泊松、盖-吕萨克、菲涅耳，毕奥和克拉珀龙都是那里的学生卡诺一生只发表了一部论著——《关于热的动力》，起先它并没有引起人们的注意，因为对工程师而言，他的成果太抽象，对科学家而言，他的文笔又太迥异了然而有两个人认识到卡诺工作的重要性，一个人是开尔文，另一个人是克劳修斯