循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán).ppt

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8循環(huán)過(guò)程和卡諾循環(huán),1.循環(huán)過(guò)程,熱力學(xué)系統(tǒng)經(jīng)歷了一系列熱力學(xué)過(guò)程后又回到初始狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程為循環(huán)過(guò)程。,2.準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過(guò)程,循環(huán)過(guò)程中每一個(gè)狀態(tài)都是由熱平衡態(tài)構(gòu)成的，這個(gè)過(guò)程為準(zhǔn)靜循環(huán)過(guò)程。,進(jìn)行循環(huán)的熱力學(xué)系統(tǒng)叫工作物質(zhì)。,3.工作物質(zhì),4.正循環(huán)與逆循環(huán),正循環(huán),P-V圖循環(huán)曲線順時(shí)針。,逆循環(huán),P-V圖逆時(shí)針。,1.什么是熱機(jī),把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置稱為熱機(jī)，如蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等。,在正循環(huán)中，系統(tǒng)對(duì)外作功，可提供動(dòng)力能源；在逆循環(huán)中，外界對(duì)系統(tǒng)作功。系統(tǒng)向外界放出熱量，使一定區(qū)域內(nèi)的溫度降低，可用來(lái)致冷。,循環(huán)曲線所包圍的面積為系統(tǒng)作的凈功。,5.準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)過(guò)程的特點(diǎn),經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)，內(nèi)能不變。,3.熱機(jī)效率,由能量守恒,在熱機(jī)工作的一個(gè)循環(huán)過(guò)程中，吸收的熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的百分比稱為該熱機(jī)的效率。,,適用于所有的熱機(jī)。,2.工作示意圖,工作物質(zhì)從高溫?zé)嵩次崃浚瑑?nèi)能增加，通過(guò)對(duì)外作功使內(nèi)能減小，再通過(guò)向低溫?zé)嵩捶艧?，系統(tǒng)內(nèi)能進(jìn)一步減小而回到原來(lái)的狀態(tài)。,功和熱的量值一般均指絕對(duì)值。,致冷機(jī)是逆循環(huán)工作的，是通過(guò)外界作功將低溫源的熱量傳遞到高溫源中。使低溫源溫度降低。,例如電冰箱、空調(diào)都屬于致冷機(jī)。,1.什么是致冷機(jī),2.工作示意圖,致冷機(jī)是通過(guò)外界作功將低溫源的熱量傳遞到高溫源中，使低溫源溫度降低。,,由能量守恒,在熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的應(yīng)用方面，到18世紀(jì)末，瓦特完善了蒸汽機(jī)，使之成為真正的動(dòng)力機(jī)械，但效率很低。1824年，法國(guó)炮兵軍官薩地.卡諾首先認(rèn)識(shí)到蒸汽機(jī)真正的動(dòng)力來(lái)源是吸的熱，并提出一種理想熱機(jī)，以提高熱機(jī)的效率和經(jīng)濟(jì)效益。,適用于所有致冷機(jī)。,3.致冷系數(shù),如果外界做一定的功，從低溫源吸取的熱量越多，致冷效率越大。,薩迪.卡諾是法國(guó)青年工程師、熱力學(xué)的創(chuàng)始人之一，是第一個(gè)把熱和動(dòng)力聯(lián)系起來(lái)的人。他出色地、創(chuàng)造性地用“理想實(shí)驗(yàn)”的思維方法，他對(duì)蒸汽機(jī)所作的簡(jiǎn)化、抽象十分徹底。提出了最簡(jiǎn)單，但有重要理論意義的熱機(jī)循環(huán)——卡諾循環(huán)，并假定該循環(huán)在準(zhǔn)靜態(tài)條件下是可逆的，與工質(zhì)無(wú)關(guān)，創(chuàng)造了一部理想的熱機(jī)（卡諾熱機(jī)）?？ㄖZ循環(huán)是最簡(jiǎn)單、最基本的循環(huán)，為提高熱機(jī)效率提供了指導(dǎo)。,卡諾的目標(biāo)是揭示熱產(chǎn)生動(dòng)力的真正的、獨(dú)立的過(guò)程和普遍的規(guī)律。1824年卡諾提出了對(duì)熱機(jī)設(shè)計(jì)具有普遍指導(dǎo)意義的卡諾定理，指出了提高熱機(jī)效率的有效途徑，揭示了熱力學(xué)的不可逆性，被后人認(rèn)為是熱力學(xué)第二定律的先驅(qū)。,1.卡諾循環(huán)是由兩個(gè)(準(zhǔn)靜態(tài))等溫過(guò)程和兩個(gè)(準(zhǔn)靜態(tài))絕熱過(guò)程組成,2.需要兩個(gè)熱源，高溫?zé)嵩碩1和低溫?zé)嵩碩2。,3.不計(jì)摩擦、熱損失及漏氣，視為理想熱機(jī)。,A—B等溫膨脹B—C絕熱膨脹C—D等溫壓縮D—A絕熱壓縮,五、卡諾正循環(huán)—卡諾熱機(jī),四、卡諾循環(huán)的特點(diǎn),現(xiàn)在討論以理想氣體為工作物質(zhì)的卡諾循環(huán)的效率。,C—D等溫壓縮放熱,D—A絕熱過(guò)程,B—C絕熱過(guò)程,A—B等溫膨脹吸熱,卡諾熱機(jī)效率,（2）只適用于卡諾機(jī)。,（1）Q1指從高溫?zé)嵩碩1吸熱，Q2指對(duì)低溫?zé)嵩碩2放熱的絕對(duì)值。W指作功的絕對(duì)值。,（3）卡諾熱機(jī)效率與工作物質(zhì)無(wú)關(guān)，只與兩個(gè)熱源的溫度有關(guān)。,例2：兩個(gè)循環(huán)過(guò)程，過(guò)程11—2等溫、2—3絕熱、3—4等壓、4—1絕熱。過(guò)程21—2等溫、2—3’等容、3’—4等壓、4—1絕熱。試比較哪個(gè)過(guò)程熱機(jī)效率高。,例1圖中兩卡諾循環(huán)嗎？,卡諾致冷機(jī)致冷系數(shù),六、卡諾逆循環(huán)—卡諾致冷機(jī),(2)只適用于卡諾機(jī)。,(1)Q1指對(duì)高溫?zé)嵩碩1放熱的絕對(duì)值，Q2指從低溫?zé)嵩碩2吸熱。W指作功的絕對(duì)值。,(3)卡諾機(jī)致冷系數(shù)只與兩個(gè)熱源的溫度有關(guān)。,3、提高熱機(jī)效率的方法。,2、卡諾熱機(jī)效率與工作物質(zhì)無(wú)關(guān)，只與兩熱源溫度有關(guān)。,例如：波音飛機(jī)不用價(jià)格較貴的高標(biāo)號(hào)汽油作燃料，而采用航空煤油作燃料。,要提高卡諾熱機(jī)效率應(yīng)盡量提高高溫?zé)嵩礈囟然虮M量降低低溫?zé)嵩礈囟取?1、卡諾機(jī)必須有兩個(gè)熱源?？ㄖZ熱機(jī)的工作物質(zhì)不一定是理想氣體，可以是其他物質(zhì)。,而低溫?zé)嵩吹臏囟瘸Ｊ鞘覝鼗蚪?、河、地下水的水溫?所以，提高熱機(jī)效率的主要途徑是升高高溫?zé)嵩礈囟取?通常，蒸汽機(jī)中加上一過(guò)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(huì)有水冷凝出，,而且這樣能有效升高蒸汽壓強(qiáng)，以便升高蒸汽溫度。,目前30萬(wàn)kW汽輪機(jī)的蒸汽壓強(qiáng)在20Mpa以上，蒸汽溫度為400℃以上，這種蒸汽稱為亞臨界狀態(tài)的蒸汽，其排氣溫度約200℃，熱機(jī)效率為35-40%。超大型的汽輪機(jī)的高溫蒸汽將處于超臨界狀態(tài)，其效率將更高。,蒸汽機(jī)中，工作物質(zhì)水在每一次循環(huán)中都把向高溫?zé)嵩次盏臒崃恐械囊徊糠钟糜跉飧讓?duì)外作功，其余的能量則以熱量方式向低溫?zé)嵩瘁尫拧?一般熱機(jī)有蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等。,內(nèi)燃機(jī)將燃料燃燒過(guò)程移到汽缸內(nèi)部，與蒸汽機(jī)相比較可明顯升高高溫?zé)嵩礈囟?，其溫度可達(dá)800℃以上，因而效率將高于蒸汽機(jī)。內(nèi)燃機(jī)主要有奧托循環(huán)與狄塞爾循環(huán)兩種形式。,蒸汽機(jī)：如圖，為一簡(jiǎn)單的活塞式蒸汽機(jī)的流程圖。,內(nèi)燃機(jī)：使燃料在氣缸中燃燒，以燃燒的氣體為工作物質(zhì)，推動(dòng)活塞作功的機(jī)械。,例3：奧托機(jī)的循環(huán)曲線是由兩條絕熱線和兩條等容線構(gòu)成。證明：熱機(jī)效率為,內(nèi)燃機(jī)主要有奧托循環(huán)與狄塞爾循環(huán)兩種形式。,奧托循環(huán)(定體加熱循環(huán))德國(guó)工程師奧托于1876年仿效卡諾循環(huán)設(shè)計(jì)使用氣體燃料的火花塞點(diǎn)火式四沖程內(nèi)燃機(jī)。所使用的工作物質(zhì)主要是天然氣體及汽油蒸汽，這種內(nèi)燃機(jī)也稱為汽油機(jī)。,解：,2-3為等容吸熱過(guò)程,4-1為等容放熱過(guò)程,熱機(jī)效率,3-4為絕熱膨脹過(guò)程,1-2為絕熱壓縮過(guò)程,證畢,可見(jiàn)K越大，效率越高。,討論：,一般為8，如采用雙原子分子氣體為工作物質(zhì)，在理想的情況下，其熱機(jī)效率為：,稱為絕熱容積壓縮比,但過(guò)大的K將引起所謂爆震現(xiàn)象，對(duì)機(jī)件保養(yǎng)不利。,一般認(rèn)為，汽油機(jī)的K不能大于10。,實(shí)際的汽油機(jī)其效率低于此數(shù)，一般最高僅40%多左右。,例4：狄塞爾循環(huán)(定壓加熱循環(huán))曲線是由絕熱壓縮、等壓吸熱、絕熱膨脹和等容放熱線構(gòu)成。求：熱機(jī)效率。,狄塞爾循環(huán)(定壓加熱循環(huán))德國(guó)工程師狄塞爾于1892年提出了壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)的原始設(shè)計(jì)。所謂壓縮點(diǎn)火式就是使燃料氣體在氣缸中被壓縮到它的溫度超過(guò)它自己的點(diǎn)火溫度(例如，氣缸中氣體溫度可升高到600-700℃，而柴油燃點(diǎn)為335℃)。這時(shí)燃料氣體在氣缸中一面燃燒，一面推動(dòng)活塞對(duì)外作功。1897年最早制成了以煤油為燃料的內(nèi)燃機(jī)，后改用柴油為燃料，這就是我們通常所稱的柴油機(jī)。,解：,由于狄塞爾循環(huán)沒(méi)有K＜10的限制，故其效率可大于奧托循環(huán)。柴油機(jī)比汽油機(jī)笨重而能發(fā)出較大功率，因而常用作大型卡車、工程機(jī)械、機(jī)車和和船舶的動(dòng)力裝置。,則,例5：一熱機(jī)以1mol雙原子分子氣體為工作物質(zhì)，循環(huán)曲線如圖所示，其中AB為等溫過(guò)程，TA=1300K，TC=300K。求①.各過(guò)程的內(nèi)能增量、功、和熱量；,②.熱機(jī)效率。,解：①,,,,A-B為等溫膨脹過(guò)程,B-C為等壓壓縮過(guò)程,吸熱,,放熱,或由熱力學(xué)第一定律,C-A為等容升壓過(guò)程,放熱,②.熱機(jī)效率,一個(gè)循環(huán)中的內(nèi)能增量為：,經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)內(nèi)能不變。,吸熱,補(bǔ)充：氣體制冷工質(zhì)先后經(jīng)壓縮、冷卻、節(jié)流膨脹等最后制得低溫液體的制冷機(jī)稱為氣體壓縮式制冷機(jī)。它分兩種：,(1)蒸汽壓縮式制冷機(jī)氣體被壓縮、冷卻到室溫后通過(guò)節(jié)流膨脹能使氣體液化的制冷機(jī)稱為蒸汽壓縮式制冷機(jī)。如冷庫(kù)用的冷凍機(jī)〔以氨(沸點(diǎn)-33.35℃)為制冷工質(zhì)〕、冰箱與空調(diào).,(2)深度冷凍制冷機(jī)若工作氣體被壓縮冷卻到室溫后經(jīng)節(jié)流尚不能使氣體液化，其液化溫度還遠(yuǎn)低于此節(jié)流后溫度，這時(shí)必須改用另一種稱為深度冷凍的循環(huán)。屬于這類制冷機(jī)的主要有液氮機(jī)(0.101MPa時(shí)的液氮溫度為77K)、液氦機(jī)(0.101MPa時(shí)的液溫度為4.2K)及制氧機(jī)。,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(diǎn)(90K)較高，易于冷凝，氮沸點(diǎn)(77K)較低易于蒸發(fā)的特點(diǎn)，利用分溜等方法將氧、氮分離的。,