理论物理基础CHAPTER17.pptVIP

* * 1、热机与循环 热机是能不断地把热能转化为机械能的机器。动力机械的一类，如蒸汽机、汽轮机、燃气轮机、内燃机、喷气发动机等。热机通常以气体作为工质，（传递能量的媒介物质叫工质），利用气体受热膨胀对外做功。热能的来源主要有燃料燃烧产生的热能、原子能、太阳能和地热等。 热机种类很多，按工质接受燃料释放能量的方式，分为内燃机和外燃机。内燃机中，燃料在热机内部燃烧，生成的气体是热机工质。外燃机则燃料在热机外部燃烧，能量通过加热器传给工质（如蒸汽）。按作功方式不同又分为往复式热机和回转式热机。如蒸汽机、汽油机、柴油机等，它们是靠工质在气缸内膨胀推动活塞往复运动实现对外作功的，称为往复式热机。依靠工质推动叶轮或转子运动实现对外作功的，汽轮机属于回转式热机 §1.4 热力学第二定律 1、热机与循环 为了不断的工作，热机的状态必须周而复始地 变化，就是说它经历一系列状态，最后又回到 起始的状态，这样的过程称为循环过程。 如果循环过程是准静态过程，则此循环过程是 可逆的，如果在过程中包含非准静态过程，则 循环就是不可逆的。 §1.4 热力学第二定律 可逆过程：准静态+无摩擦 ——理想极限 2、卡诺循环 19世纪初，蒸汽机在工业、交通运输中的作用越来越重要，但关于控制蒸汽机把热转变为机械运动的各种因素的理论却未形成。法国军事工程师萨迪?卡诺于1824年出版了《关于火的动力的思考》一书，总结了他早期的研究成果。卡诺以找出热机不完善性的原因作为研究的出发点，阐明从热机中获得动力的条件就能够改进热机的效率。卡诺分析了蒸汽机的基本结构和工作过程，撇开一切次要因素，由理想循环入手，以普遍理论的形式，作出关于消耗热而得到机械功的结论。他指出，热机必须在高温热源和低温热源之间工作，“凡是有温度差的地方就能够产生动力；反之，凡能够消耗这个力的地方就能够形成温度差，就可能破坏热质的平衡。” §1.4 热力学第二定律 2、卡诺循环 卡诺构造了在加热器与冷凝器之间的一个理想循环（准静态过程） ：汽缸与加热器相连，汽缸内的工作物质水和饱和蒸汽就与加热器的温度相同，汽缸内的蒸汽如此缓慢地膨胀着，以致在整个过程中，蒸汽和水都处于热平衡。然后使汽缸与加热器隔绝，蒸汽绝热膨胀到温度降至与冷凝器的温度相同为止。然后活塞缓慢压缩蒸汽，经过一段时间后汽缸与冷凝器脱离，作绝热压缩直到回复原来的状态。这是由两个等温过程和两个绝热过程组成的循环，即后来所称的“卡诺循环”。 §1.4 热力学第二定律 1 2 3 4 2、卡诺循环  理想气体从状态1等温膨胀到状态2，再从状态2 绝热膨胀到状态3，此后，从状态3等温压缩到状 态4，最后从状态4绝热压缩回到状态1。这种由 两个等温过程和两个绝热过程所构成的循环成为 卡诺循环。  卡诺循环 1 2 3 4 1→2等温膨胀 2→3绝热膨胀 3→4等温压缩 4→1绝热压缩 3 热机效率 1 2 3 4 热机效率 在一个循环中，热机输出的净功等于从高温热源T1吸收的热量Q1与传给低温热源T2的热量之差W=Q1-Q2 所谓热机效率即是输出功W与吸收的热量Q1的比，在可逆循环中，热机效率也可以用热源温度T1和T2表示： 4 卡诺定理 不难理解，热机效率永远小于1，因为在循环中从高温热源吸取的热量Q1只有一部分转化为功，还有一部分热量Q2被送往低温热源。 卡诺在研究热机效率的基础上，于1842年提出了卡诺定理： （1）在相同的高温与低温热源之间工作的卡诺循环，其中不可逆循环的效率不可能大于可逆循环的效率 （2）在相同的高温与低温热源之间工作的一切可逆卡诺循环的效率相等，且与工作物质无关 克劳修斯表述（1850年） 这种表述表明，热量不能自发地从低温传向高温，但是却能够自发地从高温传向低温，即热量传递具有方向性，也就是——热传导过程的不可逆性 不可能使热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。 §1.4 热力学第二定律-指出过程的不可逆性 在研究卡诺有关工作的基础上，克劳修斯与开尔文彼此独立地发现了热力学第二定律 其他变化指的是外界的变化，外界对系统做功可以使系统从低温热源吸收热量并传向高温热源，但此时外界因为做功也发生了变化，也就是——零能耗致冷机不可制造 开尔文表述（1851年） 不可能从单一热源吸热使之完全转化为功而不引起其他变化。 §1.4 热力学第二定律-指出过程的不可逆性 热机系统体积等温膨胀时，热量可以全部转化为功，但是如果让系统体积收缩到原来状态，就必然要经历一个放热过程，就是说，要想把热量不停地转化为功，必然有一部分热量被放掉，这部分热量必然会引起别的系统的变化，否则是不可能的。但是功可以全部