8.5循环过程 卡诺循环

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8.5循环过程卡诺循环8.5.1循环过程准静态循环过程在P-V图上用一闭合实线表示。如果系统从某一状态出发，经历一系列的变化后，又回到了初始状态，我们称系统经历了一个循环过程。1.循环过程由于经一次循环后系统又回到原状态，所以对整个循环过程总有：在循环过程中，系统向外界放出的热量和外界对系统做的功，也习惯用正值表示。VpOⅡⅠ·· 正循环曲线所包围的面积，在数值上等于一次循环过程中系统对外做的净功；也等于一次循环过程中系统从外界获得的净热量。2.正循环和逆循环沿顺时针方向进行的循环称为正循环，正循环也叫热机循环。在一次正循环中，系统对外界做的净功为：根据热力学第一定律，又有：ⅠⅡQ1Q2abVpO·· 沿逆时针方向进行的循环称为逆循环，逆循环也叫制冷循环。ⅠⅡQ1Q2abVpO··在一次逆循环中，外界对系统做的净功为：根据热力学第一定律，又有：逆循环曲线所包围的面积，在数值上等于一次循环过程中外界对系统做的净功；也等于一次循环过程中系统与外界交换的净热量。 8.5.2热机和热机效率1.热机能够持续地将热能转换为机械能的装置，统称为热机，蒸汽机、内燃机、喷气机等都属于热机。在热机中被用来吸收热量并对外做功的物质叫工作物质，简称工质。定义：热机的工质在一次循环中，对外所做的净功W与它吸收的热量Q1的比值，叫热机效率。2.热机效率（正循环效率）在热机的工作中，我们最关心的是，一次循环中热机将吸收热量的百分之多少转变成了机械功。 高温热源低温热源3.能流图经常使用左面所示的能流图，来直观反映热机工作时的能量转换关系。图中标明的“高温热源”和“低温热源”都不是单一热源，它们只代表工质从外界吸热和向外界放热的部分。单一热源是指温度处处一致且恒定不变的热源。 8.5.3*制冷机和制冷系数1.制冷机（致冷机）利用外界对系统做功，能够持续地将热量从低温热源传向高温热源的装置，统称为制冷机，制冷机也叫致冷机。冰箱和冰柜都是典型的制冷机。让我们以冰箱为例，来了解一下制冷机的工作过程。2.制冷系数在制冷机的工作中，我们最关心的是，一次循环中外界做的净功同工质从低温热源处吸取的热量之比。定义：制冷机的工质在一次循环中，从低温热源吸取的热量Q2与外界对工质所做的净功W之比，叫制冷机的制冷系数。 高温热源低温热源工质3.能流图 制冷机也可以用来达到升温的目的。例如，我们家中的空调器。夏季，将室内作为低温热源使用，可以达到致冷的效果；冬季，将室内作为高温热源使用，又可以达到供热的效果。以此目的设计的制冷机叫热泵。4.热泵将电功输入热泵，让它从室外吸取热量，这样除电功转变为热外，还额外从室外获得了一份热量，这要比单纯用电取暖（如电暖气、小太阳等）经济实惠多了。早在1852年，开尔文就产生了利用热泵取暖的设想，可直到1927年，这种设想才成为现实。1938年开始有热泵型空调在市场上出售。热泵型空调将两只热交换器分别置于室内和室外，并借助一个四通阀对流出压缩机的高压气体流向进行切换。 8.5.4卡诺循环1.卡诺循环19世纪初，虽然热机的使用已经相当广泛，但那时热机的效率非常低，仅为3％～5％，绝大部分热量都没有得到充分利用。1824年，法国青年工程师卡诺（1796～1832）设计出一种理想的正循环——卡诺循环，并从理论（卡诺定理）上得出了这种热机效率的极限。水从高处流向低处，依靠落差可以产生机械功，落差越大产生的机械功越多。卡诺从中得到启发，他认为热量从高温处传向低温处，也能产生机械功，温差越大产生的机械功也应该越多。根据上述想法，卡诺设计了只和两个单一热源接触的热机，这样连接两个热源之间的过程，就只能是绝热过程了。于是，卡诺循环就由两个等温和两个绝热过程组成。 abcdpVOV1p1V2p2V3p3V4p42.可逆卡诺循环的效率 对b→c、d→a应用绝热过程方程，则有：由上面结果可见：卡诺循环的效率只由两个热源的温度决定，与工质无关。 要特别注意，在上述卡诺循环中，我们没有考虑循环过程中存在摩擦的情况。无摩擦准静态卡诺循环又被称作可逆卡诺循环，相应的热机叫可逆卡诺热机。有摩擦存在的卡诺循环叫不可逆卡诺循环，相应的热机叫不可逆卡诺热机，它的效率低于可逆卡诺热机的效率。关于这一点的详细分析，见下一节的内容。卡诺循环为提高热机效率指明了方向。一方面，通过提高高温热源的温度或降低低温热源的温度都可以提高热机的效率，实际应用中总是采取前者，这是因为热机大多是以外界环境作为低温热源的，而要想降低整个外界环境的温度是得不偿失的！另一方面，我们还要尽量减少循环中的摩擦，以提高热机效率。 3.可逆卡诺循环能流图高温热源低温热源注意上图中的热源旁边标注了热源的温度，这表明它们都是单一热源。 4.*可逆卡诺制冷循环abcdpVOV1p1V2p2V3p3V4p4高温热源低温热源工质 8.5.5*典型循环介绍1.奥托循环（等体加热循环）奥托（1832～1891）是德国工程师，他于1876年设计出火花点火式四冲程汽油内燃机。其具体工作过程如下：①1→2。将空气和汽油的混合气吸入气缸，并急速压缩至最小体积（绝热压缩升温升压）；②2→3。用电火花塞点火，引起混合气迅速燃烧并放出热量，使混合气温度、压强迅速增大（等体吸热升温升压）；Q1Q212VpO34V1V2 ③3→4。混合气快速膨胀，并推动活塞对外做功使体积膨胀到最大（绝热膨胀降温降压）；④4→1。做功后的废气排出，并再次吸入新的混合气，准备进行下一次循环（等体放热降温降压）。Q1Q212VpO34V1V2 应用绝热过程方程：叫压缩比。汽油内燃机的压缩比不能超过10，否则在未完成压缩之前，混合气温度就已超过燃点而自燃。 取可算出：实际汽油内燃机中，由于非准静态、摩擦、气体湍流、不完全燃烧等多种因素的影响，其效率只有40％左右。 2.狄赛尔循环（等压加热循环）狄赛尔（1856～1913）是德国工程师，他于1892年设计出压缩点火式四冲程柴油内燃机。其具体工作过程如下：①1→2。将空气吸入气缸并急速压缩至最小体积，使空气的温度超过柴油燃点（绝热压缩升温升压）；②2→3。将柴油气体经喷嘴缓慢喷入气缸，使其与高温空气混合后自燃；气体一面燃烧，温度不断升高，一面推动活塞对外做功（等压吸热升温做功）；Q1Q212VpO34V1V2V3 ③3→4。燃料燃烧完毕后，不再获取热量，气体靠惯性继续膨胀并对外界做功（绝热膨胀降温降压）；④4→1。排出做功后的废气并再次吸入新的空气，准备进行下一次循环（等体放热降温降压）。Q1Q212VpO34V1V2V3 对1→2过程应用绝热过程方程：对2→3过程应用等压过程方程：叫全程压缩比。叫等压膨胀比。对3→4过程应用绝热过程方程： 由于，所以在相同的情况下，狄赛尔循环的效率比奥托循环的效率要低。不过狄赛尔循环不受压缩比不能大于10的限制，一般可取在15～20之间，所以实际柴油机的效率要大于汽油机的效率。 3.蒸汽动力机循环蒸汽动力机包括蒸汽机和蒸汽轮机两种，它们进行的循环是一样的，所不同的是它们将机械功传给外界的方式。蒸汽机（利用气缸活塞）传给外界的是平动，然后使用曲柄连杆机构将其转变成转动。蒸汽轮机用高温高压蒸汽直接推动叶轮，传给外界的是转动。蒸汽动力机中进行的理想循环叫兰金循环，其具体工作过程如下：①1→2。水泵将水压至锅炉，由于水很难被压缩，所以可认为是等体升压过程；②2→3。水在锅炉中吸热变成高温高压蒸汽，体积膨胀对外做功，由于汽化产生的蒸汽和对外输出的蒸汽总保持同样多，所以可认为是等压过程； ③3→4。高温高压蒸汽进入蒸汽动力机，经绝热膨胀对外做功；④4→1。做功后的废气进入冷凝器凝结成水，由于凝结成水的蒸汽和不断进入的蒸汽总保持同样多，所以可认为是等压过程。12VpO34由于水蒸汽不能看作理想气体，所以在此不计算蒸汽动力机的效率。 4.燃汽轮机循环燃汽轮机是利用燃料直接燃烧产生的高温高压气体来推动叶轮进行工作的。燃气轮机包括定压供热式和定容供热式两种，实际应用中多采用前者。其具体工作过程如下：①1→2。先将空气绝热压缩到预热器中加热；②2→3。预热后的压缩空气进入燃烧室，同时燃料经喷嘴喷入燃烧室，在等压下进行燃烧，体积膨胀；③3→4。高温高压燃汽高速推动叶轮，经绝热膨胀对外做功；④4→1。做功后的废气被等压地导入预热器中，准备进行下一次循环。 12VpO34p2p1应用压强和温度表示的绝热过程方程：叫压缩升压比。 又有：叫体积压缩比。应用压强和体积表示的绝热过程方程： 5.喷气机循环喷气发动机是利用燃料直接燃烧产生的高温高压气体，以高速气流的形式从发动机中喷出，依靠高速气流的反作用力作为动力的装置。喷气发动机工作的p－V图，与燃气轮机的p－V图完全一样，所以它的效率表示也与燃气轮机相同，其效率决定于升压比。