8 循 環(huán) 過 程 和 卡 諾 循 環(huán) 熱 力 學(xué) 系 統(tǒng) 經(jīng) 歷 了 一 系 列 熱 力 學(xué)過 程 后 又 回 到 初 始 狀 態(tài) ， 這 個 過 程 為 循 環(huán) 過 程 。 循 環(huán) 過 程 中 每 一 個 狀 態(tài) 都 是 由 熱平 衡 態(tài) 構(gòu) 成 的 ， 這 個 過 程 為 準(zhǔn) 靜 循 環(huán) 過 程 。進(jìn) 行 循 環(huán) 的 熱 力 學(xué) 系 統(tǒng) 叫 工 作 物 質(zhì) 。P-V圖 循 環(huán) 曲 線 順 時 針 。 P-V圖 逆 時 針 。oP V正 循 環(huán)吸Q放Q W oP V逆 循 環(huán)吸Q 放Q W 1.什 么 是 熱 機 把 熱 能 轉(zhuǎn) 換 為 機 械 能 的 裝置 稱 為 熱 機 ， 如 蒸 汽 機 、 內(nèi) 燃機 等 。 Vop 2TW1TA B CD 21 TT abQ cdQ在 正 循 環(huán) 中 ， 系 統(tǒng) 對 外 作 功 ，可 提 供 動 力 能 源 ； 在 逆 循 環(huán) 中 ，外 界 對 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 致 冷 。循 環(huán) 曲 線 所 包 圍 的 面 積 為 系統(tǒng) 作 的 凈 功 。經(jīng) 過 一 個 循 環(huán) ， 內(nèi) 能 不 變 。 oP V正 循 環(huán)吸Q放Q W 高 溫 熱 源 T1低 溫 熱 源 T2熱 機 W放Q 吸Q吸QW3.熱 機 效 率 , | 放吸 QQW 由 能 量 守 恒 在 熱 機 工 作 的 一 個 循 環(huán) 過 程中 ， 吸 收 的 熱 量 轉(zhuǎn) 化 為 機 械 功 的百 分 比 稱 為 該 熱 機 的 效 率 。 | |Q QWQ Q 吸 放吸 吸 適 用 于 所有 的 熱 機 。吸放QQ |1 1 2.工 作 示 意 圖 工 作 物 質(zhì) 從 高 溫 熱 源 吸 取 熱量 ， 內(nèi) 能 增 加 ， 通 過 對 外 作 功 使內(nèi) 能 減 小 ， 再 通 過 向 低 溫 熱 源 放熱 ， 系 統(tǒng) 內(nèi) 能 進(jìn) 一 步 減 小 而 回 到原 來 的 狀 態(tài) 。 功 和 熱 的 量 值 一 般 均 指 絕 對 值 。 致 冷 機 是 逆 循 環(huán) 工 作 的 ，是 通 過 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 。 oP V逆 循 環(huán)吸Q 放Q W例 如 電 冰 箱 、 空 調(diào) 都 屬 于 致 冷 機 。1.什 么 是 致 冷 機 高 溫 熱 源 T1低 溫 熱 源 T 2致 冷 機 W放Q 吸Q2.工 作 示 意 圖 致 冷 機 是 通 過 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 吸放 QQW |WQ 吸 在 熱 能 轉(zhuǎn) 化 為 機 械 能 的 應(yīng) 用 方 面 ， 到 18世 紀(jì) 末 ， 瓦特 完 善 了 蒸 汽 機 ， 使 之 成 為 真 正 的 動 力 機 械 ， 但 效 率 很 低 。1824年 ， 法 國 炮 兵 軍 官 薩 地 .卡 諾 首 先 認(rèn) 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 效 率 和 經(jīng) 濟(jì) 效 益 。 吸放 吸 QQ Q | WQ 吸 適 用 于 所 有 致 冷 機 。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 。 高 溫 熱 源 T1低 溫 熱 源 T2致 冷 機 W放Q 吸Q 他 對 蒸 汽 機 所 作的 簡 化 、 抽 象 十 分 徹 底 ?？?諾 循 環(huán) 是 最 簡 單 、 最 基 本 的 循 環(huán) ， 為提 高 熱 機 效 率 提 供 了 指 導(dǎo) 。 1.卡 諾 循 環(huán) 是 由 兩 個 (準(zhǔn) 靜態(tài) )等 溫 過 程 和 兩 個 (準(zhǔn) 靜態(tài) )絕 熱 過 程 組 成2.需 要 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 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 Vop 2TW 1TA B CD1p2p4p3p 1V 4V 2V 3V 21 TT abQ cdQ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 。 32 2 4lncd VMQ Q RT V C D 等 溫 壓 縮 放 熱Vop 2TW 1TA B CD1p2p4p3p 1V 4V 2V 3V 21 TT abQ cdQ 12431212 lnln11 VVVVTTQQ D A 絕 熱 過 程 214111 TVTV B C 絕 熱 過 程 21 1 1lnab VMQ Q RT V A B 等 溫 膨 脹 吸 熱1 12 1 3 2V T V T 4312 VVVV 1 2 1 21 1 1Q Q T TWQ Q T 卡 諾 熱 機 效 率Vop 2TW 1TA B CD1p2p4p3p 1V 4V 2V 3V 21 TT abQ cdQ 12431212 lnln11 VVVVTTQQ （ 2） 只 適 用 于 卡 諾 機 。（ 1） Q1指 從 高 溫 熱 源 T1吸 熱 ， Q2指 對 低 溫 熱 源 T2放 熱 的 絕 對值 。 W指 作 功 的 絕 對 值 。（ 3） 卡 諾 熱 機 效 率 與 工 作 物質(zhì) 無 關(guān) ， 只 與 兩 個 熱 源 的 溫 度有 關(guān) 。 214111 TVTV 1 1 2 1 3 2V T V T 例 2： 兩 個 循 環(huán) 過 程 ， 過 程 1 12 等 溫 、 23 絕 熱 、 34 等 壓 、41 絕 熱 。 過 程 2 12 等 溫 、23 等 容 、 34等 壓 、 41 絕熱 。 試 比 較 哪 個 過 程 熱 機 效 率 高 。 P Vo 1 2 34 31 2 例 1 圖 中 兩 卡 諾 循 環(huán) 嗎 ？21 21 21 2T 1T2W1W 21 WW p o V p o V 2T1T 2W1W3T 21 WW 卡 諾 致 冷 機 致 冷 系 數(shù) 21 2Q Q TW Q Q T T 吸 吸 吸放 Vop 2TW 1TA B CD 21 TT 2Q1Q六 、 卡 諾 逆 循 環(huán) 卡 諾 致 冷 機 (2)只 適 用 于 卡 諾 機 。(1)Q1指 對 高 溫 熱 源 T1放 熱 的絕 對 值 ， Q2指 從 低 溫 熱 源 T2吸 熱 。 W指 作 功 的 絕 對 值 。(3)卡 諾 機 致 冷 系 數(shù) 只 與 兩 個 熱 源 的 溫 度 有 關(guān) 。 3、 提 高 熱 機 效 率 的 方 法 。 121 TT使 12/TT 越 小 越 好 。2、 卡 諾 熱 機 效 率 與 工 作 物 質(zhì) 無 關(guān) ， 只 與 兩 熱 源 溫 度 有 關(guān) 。例 如 ： 波 音 飛 機 不 用 價 格 較 貴 的 高 標(biāo) 號 汽 油 作 燃 料 ， 而 采用 航 空 煤 油 作 燃 料 。 要 提 高 卡 諾 熱 機 效 率 應(yīng) 盡 量 提 高 高 溫 熱 源 溫 度 或 盡 量降 低 低 溫 熱 源 溫 度 。1、 卡 諾 機 必 須 有 兩 個 熱 源 。 卡 諾 熱 機 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 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 。 通 常 ， 蒸 汽 機 中 加 上 一 過 熱 器 ， 使 濕 蒸 汽 變 為 干 蒸 汽 ，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 。 目 前 30萬 kW汽 輪 機 的 蒸 汽 壓 強 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 效 率 為 35-40%。 超 大 型 的 汽 輪 機 的 高溫 蒸 汽 將 處 于 超 臨 界 狀 態(tài) ， 其 效 率 將 更 高 。 蒸 汽 機 中 ， 工 作 物 質(zhì) 水在 每 一 次 循 環(huán) 中 都 把 向 高 溫?zé)?源 吸 收 的 熱 量 中 的 一 部 分用 于 氣 缸 對 外 作 功 ， 其 余 的能 量 則 以 熱 量 方 式 向 低 溫 熱源 釋 放 。一 般 熱 機 有 蒸 汽 機 、 內(nèi) 燃 機 等 。 內(nèi) 燃 機 將 燃 料 燃 燒 過 程 移 到 汽 缸 內(nèi) 部 ， 與 蒸 汽 機 相 比較 可 明 顯 升 高 高 溫 熱 源 溫 度 ， 其 溫 度 可 達(dá) 800 以 上 ， 因而 效 率 將 高 于 蒸 汽 機 。 內(nèi) 燃 機 主 要 有 奧 托 循 環(huán) 與 狄 塞 爾 循環(huán) 兩 種 形 式 。 蒸 汽 機 ： 如 圖 ， 為 一 簡單 的 活 塞 式 蒸 汽 機 的 流 程 圖 。 內(nèi) 燃 機 ： 使 燃 料 在 氣 缸 中 燃 燒 ， 以 燃 燒 的 氣 體 為 工 作物 質(zhì) ， 推 動 活 塞 作 功 的 機 械 。 例 3： 奧 托 機 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 效 率 為1211 VV a 1V DCB A2V吸 氣 排 氣絕 熱 線 VPo 內(nèi) 燃 機 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 工 程 師 奧 托 于 1876年 仿 效 卡 諾 循 環(huán) 設(shè) 計 使 用 氣 體 燃 料 的 火 花 塞 點 火 式 四 沖 程內(nèi) 燃 機 。 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 也 稱 為 汽 油 機 。 解 ：23為 等 容 吸 熱 過 程 )( 23 TTCMQ V 吸41為 等 容 放 熱 過 程 1 4( )VMQ C T T 放熱 機 效 率1 QQ 放吸 4 1 3 2( )1 ( )VVM C T TM C T T 23 141 TT TT a 1V DCB A2V吸 氣 排 氣絕 熱 線 VPo 21121 TTVV 34為 絕 熱 膨 脹 過 程 412311 TVTV 34121 TTVV 34121 TTVV 23 14 TT TT 211112 TVTV 21TT23 141 TT TT 1211 VV12為 絕 熱 壓 縮 過 程 CTV 1 證 畢 14.1811 %5656.0 可 見 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 效 率 為 ：21Vk V 稱 為 絕 熱 容 積 壓 縮 比但 過 大 的 K 將 引 起 所 謂 爆 震 現(xiàn) 象 ， 對 機 件 保 養(yǎng) 不 利 。 一 般 認(rèn) 為 ， 汽 油 機 的 K 不 能 大 于 10。 實 際 的 汽 油 機 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 效 率 。 狄 塞 爾 循 環(huán) (定 壓 加 熱 循 環(huán) )德 國 工 程 師 狄 塞 爾 于1892年 提 出 了 壓 縮 點 火 式 內(nèi) 燃 機 的 原 始 設(shè) 計 。 所 謂 壓 縮點 火 式 就 是 使 燃 料 氣 體 在 氣 缸 中 被 壓 縮 到 它 的 溫 度 超 過它 自 己 的 點 火 溫 度 (例 如 ， 氣 缸 中 氣 體 溫 度 可 升 高 到600-700 ， 而 柴 油 燃 點 為 335 )。 這 時 燃 料 氣 體 在 氣缸 中 一 面 燃 燒 ， 一 面 推 動 活 塞 對 外 作 功 。 1897年 最 早 制成 了 以 煤 油 為 燃 料 的 內(nèi) 燃 機 ， 后 改 用 柴 油 為 燃 料 ， 這 就是 我 們 通 常 所 稱 的 柴 油 機 。 解 ： ),( 23,1 TTCQ mp )( 41,2 TTCQ mV )( )( 41. 23,21 TTC TTCQQ mV mp )(1)( )(11 23 1423, 14,12 TT TTTTC TTCQQ mp mV 熱 由 于 狄 塞 爾 循 環(huán) 沒 有 K 10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 發(fā) 出 較 大 功 率 ， 因而 常 用 作 大 型 卡 車 、 工 程 機 械 、 機 車 和 和 船 舶 的 動 力 裝 置 。 11 1 11 1r 則,ABVr V,CBVV 令定 壓 膨 脹 比 絕 熱 壓 縮 比 例 5： 一 熱 機 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 程 ， TA=1300K，TC=300K。 求 .各 過 程 的 內(nèi) 能 增 量 、 功 、 和 熱 量 ； .熱 機 效 率 。解 ： 5.0 5o )m( 3VP 等 溫 線CA BAB為 等 溫 膨 脹過 程 0ABE K1300 BA TT AB ABQ W 5.05ln130031.81 BC為 等 壓 壓 縮 過 程( ) BC V C BMU C T T )1300300(31.8251 吸 熱 ABA VVRTM ln J24874 J20775 5.0 5o )m( 3VP K1300AT等 溫 線CA BK300cT ( )BC C BW P V V 1 8.31 (1300 300) ( )B CM R T T 8310J 5.0 5o )m( 3VP K1300AT等 溫 線CA BK300cT)( BCPBC TTCMQ )1300300(31.8271 J 29085 放 熱 或 由 熱 力 學(xué) 第 一 定 律 831020775 BCQCA為 等 容 升 壓 過 程0CAW CA CAQ U J 29085 5.0 5o )m( 3VP K1300AT等 溫 線CA BK300cT放 熱 )( CAV TTCM .熱 機 效 率CA CAQ U一 個 循 環(huán) 中 的 內(nèi) 能 增 量 為 ：AB BC CAU U U U 20775207750 經(jīng) 過 一 個 循 環(huán) 內(nèi) 能 不 變 。 吸 熱 吸放QQ |1J 20775 )3001300(31.8251 0 BCQQ 放 45649 |29085|1 J 29085 36.0 5.0 5o )m( 3VP K1300AT等 溫 線CA BK300cT%36吸放QQ |1 CAAB QQQ 吸 J 456492487420775 補 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 稱 為 氣 體 壓 縮 式 制 冷 機 。 它 分 兩 種 ：(1) 蒸 汽 壓 縮 式 制 冷 機 氣 體 被 壓 縮 、 冷 卻 到 室 溫 后 通過 節(jié) 流 膨 脹 能 使 氣 體 液 化 的 制 冷 機 稱 為 蒸 汽 壓 縮 式 制 冷 機 。如 冷 庫 用 的 冷 凍 機 以 氨 (沸 點 -33.35 )為 制 冷 工 質(zhì) 、冰 箱 與 空 調(diào) .(2)深 度 冷 凍 制 冷 機 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 必 須 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 液氮 機 (0.101MPa時 的 液 氮 溫 度 為 77K)、 液 氦 機 (0.101MPa時的 液 溫 度 為 4.2K)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 情況 下 ， 借 助 氧 沸 點 (90K)較 高 ， 易 于 冷 凝 ， 氮 沸 點 (77K)較 低 易 于 蒸 發(fā) 的 特 點 ， 利 用 分 溜 等 方 法 將 氧 、 氮 分 離 的 。 電 冰 箱 的 工 作 原 理 ：工 作 開 始 時 ， 一 定 量 工 作 物 質(zhì) (如 干 燥氟 里 昂 )進(jìn) 入壓 縮 機 中 ， 被 絕 熱 壓 縮 成 高 溫 高 壓 蒸汽 ， 再 經(jīng) 管 道進(jìn) 入 冷 凝 器 ， 通 過 水 或 空 氣 冷 卻 散 熱變 成 低 溫 高 壓 液體 ，1 11.5 , 10p atmT C 2 29.1 , 46p atmT C 3 38.9 , 37.4p atmT C 1.5 , 20p atmT C 10 C 然 后 通 過 過 濾 器 濾 掉 水 分 和 雜 質(zhì) ,流 入 毛 細(xì) 管 ,使 其 經(jīng) 節(jié) 流膨 脹 變 為 低 溫 低 壓 液 體 ， 隨 后 進(jìn) 入 冰 箱 的 蒸 發(fā) 器 ， 液 態(tài) 氟里 昂 在 低 壓 條 件 下 迅 速 汽 化 ，從 而 從 蒸 發(fā) 器 中 吸 收 大 量 的 熱 量 ， 使 冷 卻 室 及 其 中 的 物 體降 溫 ， 達(dá) 到 致 冷 的 效 果 （ 以 氟 里 昂 為 工 作 物 質(zhì) 的 冰 箱 可 達(dá) 以 下 ） 。 這 些 工 作 物 質(zhì) 通 過 從 冷 卻 室 內(nèi) 的 物 體 吸 熱 ， 溫 度上 升 ， 然 后 進(jìn) 入 壓 縮 機 ， 完 成 一 個 循 環(huán) 。 這 樣 重 復(fù) 前 述 過程 ， 即 可 使 冷 卻 室 維 持 在 低 溫 狀 態(tài) 。 低 溫 低壓 液 體蒸發(fā)器低 溫 低壓 氣 體 毛 細(xì) 管 過 濾 器 常 溫 高壓 液 體冷凝器高 溫 高壓 氣 體壓 縮 機電 冰 箱 的 工 作 原 理