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热机制冷机以及卡诺循环

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1、热机制冷机以及卡诺循环,主讲：王冬（50%）成员：陈亮糖（50%）,2,循环过程应用非常常见，如汽车发动机、蒸汽机等，还有冰箱、空调等，它们分别以不同的方式利用了不同种类的循环过程，最终具有了各自不同的功能。,那么，这些机器和设备是怎样利用循环过程来达到各自的目的？对于它们什么是最关键的指标？工程师设计高性能的机器和设备以及提高其性能的依据是什么呢？,循环过程及其在工程中的应用,1. 循环过程,循环过程系统由某一状态出发，经过任意一系列的状态，最后又回到原来状态的过程。E = 0。,2. 准静态循环过程,只有准静态过程在P-V图上有对应的过程曲线。准静态循环过程对应于P-V图上一封闭的曲线。,3. 正循环与逆循环,正循环在P-V图上按顺时针方向进行的循环。,逆循环在P-V图上按逆时针方向进行的循环。,对如图示的正循环，由12的膨胀过程中系统对外作正功,4. 正循环过程的功能转换,由2 1的压缩过程中系统对外作负功,正循环过程中，系统对外作的总功（净功）为：,正循环,可见，正循环过程中系统对外作正功。,逆循环,5. 逆循环过程的功能转换,系统对外作的净功 W= - W1+W20 即

2、外界对系统作功。,系统从外界吸收的净热 Q=- Q1+Q20 即系统向外（高温热源）放热。,由热力学第一定律， Q=W0， Q1=Q2+W,由此可见，在逆循环过程中，外界对系统作功，把热量由低温热源传递到高温热源。,那么，外界对系统作的功可使多少热量由低温热源传到高温热源呢？这就是致冷机的效率问题。,1. 热机,把热能转换成机械能的装置称为热机，如蒸汽机、汽车发动机等。,2. 热机工作特点,需要一定工作物质。,至少需要两个热源。,工作物质作正循环。,正循环,3.工作示意图,高温热源T1,低温热源T2,热机从高温热源吸取热量，一部分转变成功，另一部分放到低温热源。,4.热机效率,热机效率,如果从高温源吸取的热量转变成的功越多，则热机效率就越大。,热机：持续地将热量转变为功的机器 .,工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质 .,致冷机的工作物质作逆循环。通过外界对系统作功将系统由低温源吸收的热量传递到高温源，从而使低温源温度降低。,逆循环,例如：电冰箱、空调都属于致冷机。,高温热源T1,低温热源T2,1.工作示意图,致冷机是通过外界作功将低温源的热量传递到高温源中，使低

3、温源温度降低。,2.致冷系数,如果外界做一定的功，从低温源吸取的热量越多，致冷效率越大。,室外,室内,致冷系数,由能量守恒,电冰箱的工作物质为氟里昂 12 (CCL2F2)，氟里昂对大气的臭氧层有破坏的作用，2005 年我国将停止使用氟里昂作致冷剂。以保护臭氧层。溴化锂致冷和半导体致冷已进入市场。,节流阀,冷凝器,压缩机,冰室,3.电冰箱工作原理,冰箱循环示意图,空调机不仅可以制冷，而且也可制热。将其称为热泵。,高温热源T1,低温热源T2,室外,室内,热泵是通过外界作功，将低温源（室外）的热量泵到高温源（室内），与制冷机顺序相反。,1.供暖系数,如果外界做一定的功，泵到高温源的热量越多，供暖系数就越大。,由能量守恒,1.卡诺正循环与卡诺热机,卡诺循环工作物质只与两个恒温热源交换热量的循环。正、逆循环分别对应于卡诺热机和制冷机。,准静态卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程构成的循环。,2. 理想气体准静态卡诺循环及其效率,在此仅限于讨论准静态卡诺循环。,正循环与功能转换,吸热,3 - 4 等温收缩过程,放热,1 - 2 的等温膨胀过程,2 3的绝热膨胀过程,4 1的绝热压缩过程,整个循

4、环过程中系统吸收的净热等于系统对外的功,效率,由2 -3和4-1的绝热膨胀和压缩过程方程,上两式相比,即,可见，理想气体准静态卡诺循环的效率只由高低温热源的热力学温度决定，与具体的工作物质无关。,卡诺热机的效率,3.提高热机效率的方法。,T2/T1越小越好，但低温热源的温度通常为外界大气的温度，难以人为地改变。因此通常以提高高温热源的温度来提高热机的效率。,23,解：根据卡诺热机的循环效率可得，地热发电机的热机效率为,则发电机每小时对外做的功为,发电机的输出功率为,24,汽车发动机热机,汽油机的循环过程,一般汽车发动机的循环过程由两个等容过程和两个绝热组成，其中AB和CD为绝热过程，该循环过程决定了发动机的关键性技术指标热机效率。,25,汽车发动的热机效率为,其中，TA为燃料燃烧前的温度， TA为燃料燃烧后的温度；V1为气体压缩前的体积，V2为气体压缩后的体积。,26,提高汽车发动机效率的途径,（1）提高高温热源的温度（发动机本身的温度），陶瓷外壳的发动机（2）提高发动机的压缩比（用压缩前的气缸总容积与压缩后的气缸容积）,4.卡诺逆循环与卡诺制冷机,完全类似于卡诺正循环的分析，可以证明，理想气体准静态卡诺逆循环（制冷机）的制冷系数为,2-1等温压缩放出的热量,4-3等温膨胀吸收的热量,外界对系统的功等于系统放出的净热,

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