统计物理与热力学课程（陈培锋）热2.pptVIP

第2讲 热转换为持续作功卡诺循环卡诺定理 一、循环过程和持续作功 瓦特对蒸汽的性能有深刻的了解，从经济有效性方面改进了蒸汽机。 他的后继者是一位年轻的法国炮兵军官萨地·卡诺(Sadi Carnot)。卡诺正确地认识到，蒸汽只是能量的携带者，动力的真正来源是锅炉下面的火。卡诺确切地把蒸汽机、内燃机等以“火”为动力的机械叫做热机，他要探索的是如何利用较少的燃料获得较多的动力，以提高热机的效率和经济效益 纽可门蒸汽抽水机 活塞式蒸汽机 双动式蒸汽机 蒸汽机的基本工作过程-循环过程 水泵B将水池A中的水抽入锅炉C中，在锅炉里被加热成蒸汽。经过管道被送入汽缸D内，在其中膨胀，推动活塞对外作功。最后蒸汽变为废气进入冷凝器E中凝结成水。水泵F再把冷凝器中的水抽入水池A 蒸汽机循环 1)蒸汽在锅炉中加热,开关打开进入汽缸(ab),推动活塞等压作功(bc),abc段吸取Q1 2)关闭蒸汽,绝热膨胀作功(cd) 3)汽缸与冷凝气连通,压强突然下降(de),活塞在飞轮带动下排气(ea),dea段放出Q2 冷凝器关闭,锅炉连通 η一般10-17% 效率 正循环热机的功能是将热量转化为机械功 ，热量转化为机械能的百分比称为正循环热机的效率 逆循环热机的功能是制冷，通过外界作功W从低温热源汲取热量Q2，制冷功能可用制冷系数ε来描述 四冲程发动机 1. 进气冲程 1. 进气冲程 2. 压缩冲程 3. 作功冲程 4. 排气冲程 多汽缸驱动 汽油机示意图 奥托循环 (1)由状态V1、TA绝热压缩到状态V2、TB； (2)由状态V2、TB经等体吸热过程达到状态V2、TC； (3)由状态V2、TC绝热膨胀到状态V1、TD； (4)由状态V1、TD经等体放热过程达到状态V1、TA。 求此循环的效率。 效率 两绝热过程 两等体过程 于是 引入压缩比r=V1/V2 狄塞尔循环 (1)由V1、TA绝热压缩到V2、TB； (2)由V2、TB等压吸热到V3、TC； (3)由V3、TC绝热膨胀到V1、TD； (4)由V1、TD等体放热到状态V1、TA 正负循环热机 逆向斯特令循环 (1)由状态V1、T1等温压缩到状态V2、T1； (2)由状态V2、T1经等体降温到状态V2、T2； (3)由状态V2、T2等温膨胀到状态V1、T2； (4)由状态V1、T2经等体升温到状态V1、T1。 制冷机 两等温过程 两等体过程，系统与外界的热量交换相抵消 制冷系数 二、理想气体卡诺循环 卡诺1824年提出一种理想的热机，并证明它具有最高的效率 在温度为T1高温热源和温度为T2低温热源之间工作 由两个等温过程和两个绝热过程组成 准静态 无摩擦等耗散过程 卡诺循环(Carnot cycle) 等温过程AB系统与温度为Th的高温热源接触吸热(做功)，BC是从高温到低温的绝热膨胀，CD是系统与温度为Tc的低温热源接触的放热过程，DA是从低温回到高温的绝热压缩过程 推导 分析卡诺循环过程的作功和吸热过程；求卡诺循环的效率 等温过程 小结 准静态过程+理想气体状态方程+理想气体内能→理想气体过程→循环过程 卡诺循环(Carnot cycle) 特点：在恒定的高温和低温之间运转 卡诺循环的功热转换 提醒 务必课后阅读教材课本 卡诺定理 卡诺原始的证明 卡诺定理 (1)在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关。 (2)在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机，其效率都小于可逆热机的效率。 卡诺的论证 热质说： 卡诺热机是在高温、低温两个热源之间循环工作的理想热机。热质说的观点不认为热可以转化为功，卡诺将热机与水利机械类比，当水从高水位流向低水位时推动水轮机作功。在此过程中水量没有发生变化。所以卡诺认为，在一个循环里热机从高温热源汲取的热质Q与释放给低温热源的热质Q’相等，与此同时系统对外作功A’。 热机效率 水轮机作的功正比于流下的水量和水的落差,与之类比.热机所作的功正比于热质Q和两热源之间的温差T1-T2。 卡诺不能肯定,从100℃到50℃温差和从50℃到0℃温差,热机的效率是否一样。亦即上式里的比例系数是否与温度有关。把这个比例系数写成f(T1) f(T1)可称为卡诺函数，卡诺只知道它是个下降的函数，比例系数随温度T1的上升而减少。 卡诺的论证(思想实验) 有两个卡诺热机甲和乙,设它们工作时由高温热源向低温热源传递的热质分别为Q甲和Q乙,对外作功分别为A’甲和A’乙,按照效率的定义， A’甲=η甲Q甲，A’乙=η乙Q乙 不可逆热机效率不可能大于可逆热机 如果热机甲是不可逆的，乙是可逆的，则令甲对乙作功使它逆向运行。假定在一个循环里Q甲=Q乙=Q，即推动甲运转而从高温热源落