循環(huán)過程和卡諾循環(huán)ppt課件

1、8 循環(huán)過程和卡諾循環(huán)循環(huán)過程和卡諾循環(huán) 熱力學系統閱歷了一系列熱力學熱力學系統閱歷了一系列熱力學過程后又回到初始形狀，這個過程為循環(huán)過程。過程后又回到初始形狀，這個過程為循環(huán)過程。 循環(huán)過程中每一個形狀都是由熱循環(huán)過程中每一個形狀都是由熱平衡態(tài)構成的，這個過程為準靜循環(huán)過程。平衡態(tài)構成的，這個過程為準靜循環(huán)過程。進展循環(huán)的熱力學系統叫任務物質。進展循環(huán)的熱力學系統叫任務物質。P-VP-V圖循環(huán)曲線順時針。圖循環(huán)曲線順時針。P-VP-V圖逆時針。圖逆時針。oPV正循環(huán)正循環(huán)吸Q放QWoPV逆循環(huán)逆循環(huán)吸Q放QW1.什么是熱機 把熱能轉換為機械能的安把熱能轉換為機械能的安裝稱為熱機，如蒸汽機、內

2、燃裝稱為熱機，如蒸汽機、內燃機等。機等。Vop2TW1TABCD21TT abQcdQ在正循環(huán)中，系統對外作功，在正循環(huán)中，系統對外作功，可提供動力能源；在逆循環(huán)中，可提供動力能源；在逆循環(huán)中，外界對系統作功。系統向外界外界對系統作功。系統向外界放出熱量，使一定區(qū)域內的溫放出熱量，使一定區(qū)域內的溫度降低，可用來致冷。度降低，可用來致冷。循環(huán)曲線所包圍的面積為系循環(huán)曲線所包圍的面積為系統作的凈功。統作的凈功。經過一個循環(huán)，內能不變。經過一個循環(huán)，內能不變。oPV正循環(huán)正循環(huán)吸Q放QW高溫熱源高溫熱源T1T1低溫熱源低溫熱源T2T2熱機W放Q吸Q吸QW3.3.熱機效率熱機效率, |放吸QQW由能量

3、守恒由能量守恒 在熱機任務的一個循環(huán)過程在熱機任務的一個循環(huán)過程中，吸收的熱量轉化為機械功的中，吸收的熱量轉化為機械功的百分比稱為該熱機的效率。百分比稱為該熱機的效率。|QQWQQ吸放吸吸適用于一適用于一切的熱機。切的熱機。吸放QQ|1 12.2.任務表示圖任務表示圖 任務物質從高溫熱源汲取熱任務物質從高溫熱源汲取熱量，內能添加，經過對外作功使量，內能添加，經過對外作功使內能減小，再經過向低溫熱源放內能減小，再經過向低溫熱源放熱，系統內能進一步減小而回到熱，系統內能進一步減小而回到原來的形狀。原來的形狀。功和熱的量值普通均指絕對值。功和熱的量值普通均指絕對值。 致冷機是逆循環(huán)任務的，致冷機是逆

4、循環(huán)任務的，是經過外界作功將低溫源的熱是經過外界作功將低溫源的熱量傳送到高溫源中。使低溫源量傳送到高溫源中。使低溫源溫度降低。溫度降低。oPV逆循環(huán)逆循環(huán)吸Q放QW例如電冰箱、空調都屬于致冷機。例如電冰箱、空調都屬于致冷機。1.什么是致冷機高溫熱源高溫熱源T1T1低溫熱源低溫熱源T2T2致冷機W放Q吸Q2.任務表示圖 致冷機是經過外界作功致冷機是經過外界作功將低溫源的熱量傳送到高溫將低溫源的熱量傳送到高溫源中，使低溫源溫度降低。源中，使低溫源溫度降低。由能量守恒由能量守恒吸放QQW|WQ吸 在熱能轉化為機械能的運用方面，到在熱能轉化為機械能的運用方面，到1818世紀末，瓦世紀末，瓦特完善了蒸汽

5、機，使之成為真正的動力機械，但效率很低。特完善了蒸汽機，使之成為真正的動力機械，但效率很低。18241824年，法國炮兵軍官薩地年，法國炮兵軍官薩地. .卡諾首先認識到蒸汽機真正卡諾首先認識到蒸汽機真正的動力來源是吸的熱，并提出一種理想熱機，以提高熱機的動力來源是吸的熱，并提出一種理想熱機，以提高熱機的效率和經濟效益。的效率和經濟效益。吸放吸QQQ|WQ吸適用于一切致冷機。適用于一切致冷機。3.致冷系數 假設外界做一定的功，從低假設外界做一定的功，從低溫源汲取的熱量越多，致冷效率溫源汲取的熱量越多，致冷效率越大。越大。高溫熱源高溫熱源T1T1低溫熱源低溫熱源T2T2致冷機W放Q吸Q1.卡諾循環(huán)

6、是由兩個卡諾循環(huán)是由兩個(準靜準靜態(tài)態(tài))等溫過程和兩個等溫過程和兩個(準靜準靜態(tài)態(tài))絕熱過程組成絕熱過程組成2.需求兩個熱源，高溫熱源 T1 和低溫熱源 T2 。3.不計摩擦、熱損失及漏氣，視為理想熱機。 A B 等溫膨脹等溫膨脹 B C 絕熱膨脹絕熱膨脹 C D 等溫緊縮等溫緊縮 D A 絕熱緊縮絕熱緊縮五、卡諾正循環(huán)五、卡諾正循環(huán)卡諾熱機卡諾熱機Vop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ如今討論以理想氣體為任務物質的卡諾循環(huán)的效率。如今討論以理想氣體為任務物質的卡諾循環(huán)的效率。3224lncdVMQQRTVC D 等溫緊縮放熱等溫緊縮放熱Vop2TW1T

7、ABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ12431212lnln11VVVVTTQQ D A 絕熱過程絕熱過程214111TVTVB C 絕熱過程絕熱過程 2111lnabVMQQRTVA B 等溫膨脹吸熱等溫膨脹吸熱112132VTVT4312VVVV1212111QQTTWQQT 卡諾熱機效率卡諾熱機效率Vop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ12431212lnln11VVVVTTQQ 2只適用于卡諾機。只適用于卡諾機。1 1Q1Q1指從高溫熱源指從高溫熱源T1T1吸熱，吸熱， Q2Q2指對低溫熱源指對低溫熱源T2T2放熱的絕放

8、熱的絕對值。對值。WW指作功的絕對值。指作功的絕對值。3 3卡諾熱機效率與任務物卡諾熱機效率與任務物質無關，只與兩個熱源的溫度質無關，只與兩個熱源的溫度有關。有關。 214111TVTV112132VTVT例例2 2：兩個循環(huán)過程，過程：兩個循環(huán)過程，過程1 12 1 12 等溫、等溫、23 23 絕熱、絕熱、34 34 等壓、等壓、41 41 絕熱。過程絕熱。過程2 12 2 12 等溫、等溫、2323 等容、等容、3 344等壓、等壓、41 41 絕絕熱。試比較哪個過程熱機效率高。熱。試比較哪個過程熱機效率高。PVo12343等溫線絕熱線12例例1 圖中兩卡諾循環(huán)圖中兩卡諾循環(huán) 嗎嗎 ？2

9、121212T1T2W1W21WWpoVpoV2T1T2W1W3T21WW卡諾致冷機致冷系數卡諾致冷機致冷系數212QQTWQQTT吸吸吸放Vop2TW1TABCD21TT 2Q1Q六、卡諾逆循環(huán)六、卡諾逆循環(huán)卡諾致冷機卡諾致冷機 (2)只適用于卡諾機。只適用于卡諾機。(1)Q1(1)Q1指對高溫熱源指對高溫熱源T1T1放熱放熱的絕對值，的絕對值， Q2 Q2指從低溫熱指從低溫熱源源T2T2吸熱。吸熱。WW指作功的絕對指作功的絕對值。值。(3)(3)卡諾機致冷系數只與兩個熱源的溫度有關?？ㄖZ機致冷系數只與兩個熱源的溫度有關。 3 3、提高熱機效率的方法。、提高熱機效率的方法。121TT使使12

10、/TT越小越好。越小越好。2 2、卡諾熱機效率與任務物質無關，只與兩熱源溫度有關。、卡諾熱機效率與任務物質無關，只與兩熱源溫度有關。例如：波音飛機不用價錢較貴的高標號汽油作燃料，而采例如：波音飛機不用價錢較貴的高標號汽油作燃料，而采用航空煤油作燃料。用航空煤油作燃料。 要提高卡諾熱機效率應盡量提高高溫熱源溫度或盡量要提高卡諾熱機效率應盡量提高高溫熱源溫度或盡量降低低溫熱源溫度。降低低溫熱源溫度。1 1、卡諾機必需有兩個熱源?？ㄖZ熱機的任務物質不一定、卡諾機必需有兩個熱源?？ㄖZ熱機的任務物質不一定是理想氣體，可以是其他物質。是理想氣體，可以是其他物質。 而低溫熱源的溫度常是室溫或江、河、地下水的

11、水溫而低溫熱源的溫度常是室溫或江、河、地下水的水溫 ， 所以，提高熱機效率的主要途徑是升高高溫熱源溫度。所以，提高熱機效率的主要途徑是升高高溫熱源溫度。 通常，蒸汽機中加上一過熱器，使?jié)裾羝優(yōu)楦烧羝ǔ?，蒸汽機中加上一過熱器，使?jié)裾羝優(yōu)楦烧羝?，不僅利于它在絕熱膨脹降溫后不會有水冷凝出不僅利于它在絕熱膨脹降溫后不會有水冷凝出 ，而且這樣能有效升高蒸汽壓強，以便升高蒸汽溫度。而且這樣能有效升高蒸汽壓強，以便升高蒸汽溫度。 目前目前3030萬萬kWkW汽輪機的蒸汽壓強在汽輪機的蒸汽壓強在20Mpa20Mpa以上，蒸汽溫度以上，蒸汽溫度為為400 400 以上，這種蒸汽稱為亞臨界形狀的蒸汽，其排

12、氣以上，這種蒸汽稱為亞臨界形狀的蒸汽，其排氣溫度約溫度約200200，熱機效率為，熱機效率為35-40%35-40%。超大型的汽輪機的高。超大型的汽輪機的高溫蒸汽將處于超臨界形狀，其效率將更高。溫蒸汽將處于超臨界形狀，其效率將更高。 蒸汽機中，任務物質水蒸汽機中，任務物質水在每一次循環(huán)中都把向高溫在每一次循環(huán)中都把向高溫熱源吸收的熱量中的一部分熱源吸收的熱量中的一部分用于氣缸對外作功，其他的用于氣缸對外作功，其他的能量那么以熱量方式向低溫能量那么以熱量方式向低溫熱源釋放。熱源釋放。普通熱機有蒸汽機、內燃機等。普通熱機有蒸汽機、內燃機等。 內燃機將燃料熄滅過程移到汽缸內部，與蒸汽機相比內燃機將燃

13、料熄滅過程移到汽缸內部，與蒸汽機相比較可明顯升高高溫熱源溫度，其溫度可達較可明顯升高高溫熱源溫度，其溫度可達800 800 以上，因以上，因此效率將高于蒸汽機。內燃機主要有奧托循環(huán)與狄塞爾循此效率將高于蒸汽機。內燃機主要有奧托循環(huán)與狄塞爾循環(huán)兩種方式。環(huán)兩種方式。 蒸汽機：如圖，為一簡蒸汽機：如圖，為一簡單的活塞式蒸汽機的流程圖。單的活塞式蒸汽機的流程圖。 內燃機：使燃料在氣缸中熄滅，以熄滅的氣體為任務內燃機：使燃料在氣缸中熄滅，以熄滅的氣體為任務物質，推進活塞作功的機械。物質，推進活塞作功的機械。例例3 3：奧托機的循環(huán)曲線是由：奧托機的循環(huán)曲線是由兩條絕熱線和兩條等容線構兩條絕熱線和兩條等

14、容線構成。成。 證明：熱機效率為證明：熱機效率為1211VVa1VDCBA2V吸氣排氣絕熱線VPo 內燃機主要有奧托循環(huán)與狄塞爾循環(huán)兩種方式。內燃機主要有奧托循環(huán)與狄塞爾循環(huán)兩種方式。 奧托循環(huán)奧托循環(huán)( (定體加熱循環(huán)定體加熱循環(huán)) ) 德國工程師奧托于德國工程師奧托于18761876年仿效卡諾循環(huán)設計運用氣體燃料的火花塞點火式四沖程年仿效卡諾循環(huán)設計運用氣體燃料的火花塞點火式四沖程內燃機。內燃機。 所運用的任務物質主要是天然氣體及汽油蒸汽，所運用的任務物質主要是天然氣體及汽油蒸汽，這種內燃機也稱為汽油機。這種內燃機也稱為汽油機。解：解：2-3為等容吸熱過程)(23TTCMQV吸4-1為等容

15、放熱過程14()VMQCTT 放熱機效率熱機效率1QQ 放吸4132()1()VVMCTTMCTT 23141TTTTa1VDCBA2V吸氣排氣絕熱線VPo21121TTVV3-4為絕熱膨脹過程412311TVTV34121TTVV34121TTVV2314TTTT211112TVTV21TT23141TTTT1211VV1-2為絕熱緊縮過程CTV1證畢證畢14 .1811%5656.0可見可見K K 越大，效率越高。越大，效率越高。討論：討論： 普通為普通為 8 8 ，如采用雙原子分子氣體為任務物質，在，如采用雙原子分子氣體為任務物質，在理想的情況下，其熱機效率為：理想的情況下，其熱機效率為

16、：21VkV稱為絕熱容積緊縮比稱為絕熱容積緊縮比但過大的但過大的 K K 將引起所謂爆震景象，對機件保養(yǎng)不利。將引起所謂爆震景象，對機件保養(yǎng)不利。 普通以為，汽油機的普通以為，汽油機的 K K 不能大于不能大于1010。 實踐的汽油機其效率低于此數實踐的汽油機其效率低于此數 ，普通最高僅，普通最高僅40%40%多左右。多左右。例例4 4：狄塞爾循環(huán)：狄塞爾循環(huán)( (定壓加熱循定壓加熱循環(huán)環(huán)) )曲線是由絕熱緊縮、等壓曲線是由絕熱緊縮、等壓吸熱、絕熱膨脹和等容放熱吸熱、絕熱膨脹和等容放熱線構成。線構成。 求：熱機效率。求：熱機效率。 狄塞爾循環(huán)狄塞爾循環(huán)( (定壓加熱循環(huán)定壓加熱循環(huán)) )德國工

17、程師狄塞爾于德國工程師狄塞爾于18921892年提出了緊縮點火式內燃機的原始設計。所謂緊縮年提出了緊縮點火式內燃機的原始設計。所謂緊縮點火式就是使燃料氣體在氣缸中被緊縮到它的溫度超越點火式就是使燃料氣體在氣缸中被緊縮到它的溫度超越它本人的點火溫度它本人的點火溫度( (例如，氣缸中氣體溫度可升高到例如，氣缸中氣體溫度可升高到600-700600-700，而，而 柴油燃點為柴油燃點為335)335)。這時燃料氣體在氣。這時燃料氣體在氣缸中一面熄滅，一面推進活塞對外作功。缸中一面熄滅，一面推進活塞對外作功。18971897年最早制年最早制成了以煤油為燃料的內燃機，后改用柴油為燃料，這就成了以煤油為燃

18、料的內燃機，后改用柴油為燃料，這就是我們通常所稱的柴油機。是我們通常所稱的柴油機。解：解：),(23,1TTCQmp)(41,2TTCQmV)()(41.23,21TTCTTCQQmVmp)(1)()(11231423,14,12TTTTTTCTTCQQmpmV熱 由于狄塞爾循環(huán)沒有由于狄塞爾循環(huán)沒有K K1010的限制，故其效率可大于的限制，故其效率可大于奧托循環(huán)。柴油機比汽油機笨重而能奧托循環(huán)。柴油機比汽油機笨重而能 發(fā)出較大功率，因發(fā)出較大功率，因此常用作大型卡車、工程機械、機車和和船舶的動力安裝。此常用作大型卡車、工程機械、機車和和船舶的動力安裝。 111111r 那么那么,ABVrV

19、,CBVV令令定壓膨脹比定壓膨脹比絕熱緊縮比絕熱緊縮比例例5 5：一熱機以：一熱機以1mol1mol雙原子分子氣體為任務物質，循雙原子分子氣體為任務物質，循環(huán)曲線如下圖，其中環(huán)曲線如下圖，其中ABAB為等溫過程，為等溫過程，TA=1300KTA=1300K，TC=300KTC=300K。 求求. .各過程的內能增量、功、和熱量；各過程的內能增量、功、和熱量； . .熱機效率。熱機效率。解：解：5 .05o)m(3VP等溫線CABA-B為等溫膨脹過程0ABEK1300BATTABABQW 5 .05ln130031.81B-C為等壓緊縮過程()BCVCBMUC TT)1300300(31.825

20、1吸熱吸熱ABAVVRTMlnJ24874J207755 .05o)m(3VPK1300AT等溫線CABK300cT()BCCBWP VV 1 8.31 (1300300) ()BCMR TT8310J5 .05o)m(3VPK1300AT等溫線CABK300cT)(BCPBCTTCMQ)1300300(31.8271J 29085放熱放熱或由熱力學第一定律或由熱力學第一定律831020775 BCQC-A為等容升壓過程0CAWCACAQU J 290855 .05o)m(3VPK1300AT等溫線CABK300cT放熱放熱)(CAVTTCM. .熱機效率熱機效率CACAQU 一個循環(huán)中的內能

21、增量為：一個循環(huán)中的內能增量為：ABBCCAUUUU 20775207750經過一個循環(huán)內能不變。經過一個循環(huán)內能不變。吸熱吸熱吸放QQ|1 J 20775)3001300(31.82510BCQQ放45649|29085|1J 2908536.05 .05o)m(3VPK1300AT等溫線CABK300cT%36吸放QQ|1 CAABQQQ吸J 456492487420775 補充：氣體制冷工質先后經緊縮、冷卻、節(jié)流膨脹等最后補充：氣體制冷工質先后經緊縮、冷卻、節(jié)流膨脹等最后制得低溫液體的制冷機稱為氣體緊縮式制冷機。它分兩種：制得低溫液體的制冷機稱為氣體緊縮式制冷機。它分兩種：(1)(1)

22、蒸汽緊縮式制冷機蒸汽緊縮式制冷機 氣體被緊縮、冷卻到室溫后經氣體被緊縮、冷卻到室溫后經過節(jié)流膨脹能使氣體液化的制冷機稱為蒸汽緊縮式制冷機。過節(jié)流膨脹能使氣體液化的制冷機稱為蒸汽緊縮式制冷機。如冷庫用的冷凍機以氨如冷庫用的冷凍機以氨( (沸點沸點-33.35)-33.35)為制冷工質、為制冷工質、冰箱與空調冰箱與空調. .(2)(2)深度冷凍制冷機深度冷凍制冷機 假設任務氣體被緊縮冷卻到室溫后經節(jié)流尚不能使氣假設任務氣體被緊縮冷卻到室溫后經節(jié)流尚不能使氣體液化，其液化溫度還遠低于此節(jié)流后溫度，這時必需改體液化，其液化溫度還遠低于此節(jié)流后溫度，這時必需改用另一種稱為深度冷凍的循環(huán)。屬于這類制冷機的主要有用另一種稱為深度冷凍的循環(huán)。屬于這類制冷機的主要有液氮機液氮機(0.101MPa(0.101MPa時的液氮溫度為時的液氮溫度為77K)77K)、液氦機、液氦機(0.101MPa(0.101MPa時的液溫度為時的液溫度為4.2K)4.2K)及制氧機。及制氧機。 工業(yè)上制得氧氣是先將空氣液化，然后在氣液共存情工業(yè)上制得氧氣是先將空氣液化，然后在氣液共存情況下，借助氧沸點況下，借助氧沸點(90K)(90K)較高，易于冷