大学物理：5-7 循环过程 卡诺循环.ppt

第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 热机发展简介热机发展简介 1698年萨维利和年萨维利和1705年纽可门先后发明了年纽可门先后发明了蒸汽机，蒸汽机，当时蒸汽机的效率极低当时蒸汽机的效率极低 , 1765年瓦特进行了重大改进，年瓦特进行了重大改进，大大提高了效率大大提高了效率 . 人们一直在为提高热机的效率而努力，人们一直在为提高热机的效率而努力， 从理论上研究热机效率问题，从理论上研究热机效率问题， 一方面指明了提高效率的一方面指明了提高效率的方向，方向， 另一方面也推动了热学理论的发展另一方面也推动了热学理论的发展 .各种热机的效率各种热机的效率液体燃料火箭液体燃料火箭柴油机柴油机汽油机汽油机蒸汽机蒸汽机第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环热机热机 ：持续地将热量转变为功的机器：持续地将热量转变为功的机器 . 工作物质工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质并对外做功的物质 .第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环冰箱循环示意图冰箱循环示意图第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 系统经过一系列变化状态过程后，又回到原来的系统经过一系列变化状态过程后，又回到原来的状态的过程叫热力学循环过程状态的过程叫热力学循环过程 .热力学第一定律热力学第一定律净功净功特征特征一一 循环过程循环过程AB总吸热总吸热总放热总放热（（取绝对值）取绝对值）第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环热机热机二二 热机效率和致冷机的致冷系数热机效率和致冷机的致冷系数热机效率热机效率高温热源高温热源低温热源低温热源热机（热机（正正循环）循环）AB第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环致冷机致冷系数致冷机致冷系数致冷机（致冷机（逆逆循环）循环）致冷致冷机机高温热源高温热源低温热源低温热源AB第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环1423 例例 1 1 mol 氦气经过如图所示的循环过程，其氦气经过如图所示的循环过程，其中中 , 求求1—2、2—3、3—4、4—1各过程中气体吸收的热量和热机的效率各过程中气体吸收的热量和热机的效率 .解解 由理想气体物态方程得由理想气体物态方程得第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环1423第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环三三 卡诺循环卡诺循环 低温热源低温热源高温热源高温热源卡诺热机卡诺热机WABCD 1824 年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在两两热源之间的热源之间的理想理想循环循环 — 卡诺卡诺循环循环. 给出了热机效率的给出了热机效率的理论极限值理论极限值.Ø 卡诺卡诺循环循环两个准静态两个准静态等温等温过程过程两个准静态两个准静态绝热绝热过程过程组成组成第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环WABCD 理想气体卡诺循环热机效率的计算理想气体卡诺循环热机效率的计算 A — B 等温膨胀等温膨胀 B — C 绝热膨胀绝热膨胀 C — D 等温压缩等温压缩 D — A 绝热压缩绝热压缩卡诺循环卡诺循环A — B 等温膨胀等温膨胀吸吸热热第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环C — D 等温压缩放热等温压缩放热WABCD D — A 绝热过程绝热过程B — C 绝热过程绝热过程 213112TVTV--=gg第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 卡诺热机效率卡诺热机效率WABCD 卡诺热机效率与工作卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效差越大，则卡诺循环的效率越高率越高 . 第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环WABCD高温热源高温热源低温热源低温热源卡诺致冷机卡诺致冷机 卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机（卡诺逆循环）卡诺致冷机卡诺致冷机致冷致冷系数系数第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 图中两卡诺循环图中两卡诺循环 吗吗 ？？讨讨 论论第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 1 开尔文说法：不可能制造出这样一种开尔文说法：不可能制造出这样一种循循环环工作的热机，它只使工作的热机，它只使单一单一热源冷却来做功，而热源冷却来做功，而不不放出热量给其他物体，或者说放出热量给其他物体，或者说不不使使外外界发生任界发生任何变化何变化 . 第二定律的提出第二定律的提出1 功热转换的条件第一定律无法说明功热转换的条件第一定律无法说明. 2 热传导的方向性、气体自由膨胀的不可热传导的方向性、气体自由膨胀的不可逆性问题第一定律无法说明逆性问题第一定律无法说明. 四四 热力学第二定律的两种表述热力学第二定律的两种表述 第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 等温膨胀过程是从等温膨胀过程是从单一热源吸热作功，单一热源吸热作功，而而不不放出热量给其它物体放出热量给其它物体,但它非循环过程但它非循环过程.12W W低温热源低温热源高温热源高温热源卡诺热机卡诺热机WABCD 卡诺卡诺循环是循循环是循环过程，环过程，但需两个但需两个热源，且热源，且使外界发使外界发生变化生变化.第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 永永 动动 机机 的的 设设 想想 图图第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化物体，但需外界作功且使环境发生变化 . 2 克劳修斯说法：克劳修斯说法：不可能把热量从低温物体不可能把热量从低温物体自自动动传到高温物体而传到高温物体而不不引起引起外界的变化外界的变化 .高温热源高温热源低温热源低温热源卡诺致冷机卡诺致冷机WABCD第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环注注 意意 1 热力学第二定律是大量实验和经验的总热力学第二定律是大量实验和经验的总结结. 3 热力学第二定律可有多种说法，每一种说热力学第二定律可有多种说法，每一种说法都反映了自然界过程进行的方向性法都反映了自然界过程进行的方向性 . 2 热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性法具有等效性 .第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 1.从开尔文表述入手从开尔文表述入手假定单热机是可以造成的，则假定单热机是可以造成的，则高温源高温源低温源低温源Q高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2  两种表述等效性两种表述等效性第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 2.从克劳修斯表述入手从克劳修斯表述入手反之，假定热量能自动地从低温源传到高反之，假定热量能自动地从低温源传到高温源，则单热机也能造成。

温源，则单热机也能造成高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2 高温热源高温热源T1§6.热力学第二定律热力学第二定律 / 三、两种表述是统一的三、两种表述是统一的第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环准静态无摩擦过程为可逆过程准静态无摩擦过程为可逆过程 可逆过程可逆过程 : 在系统状态变化过程中在系统状态变化过程中,如果逆过如果逆过程能重复正过程的每一状态程能重复正过程的每一状态, 而不引起其他变化而不引起其他变化, 这样的过程叫做可逆过程这样的过程叫做可逆过程 .五五 可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 非非准静态过程为准静态过程为不可逆过程不可逆过程 . 不可逆不可逆过程：在不引起其他变化的条件下，不过程：在不引起其他变化的条件下，不能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但能使逆过程重复正过程的每一状态，或者虽能重复但必然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程必然会引起其他变化，这样的过程叫做不可逆过程. 准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦准静态过程（无限缓慢的过程），且无摩擦力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过力、粘滞力或其他耗散力作功，无能量耗散的过程程 . 可逆过程的条件可逆过程的条件第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环非非自发传热自发传热自发传热自发传热高温物体高温物体低温物体低温物体Ø 热传导热传导Ø 热功转换热功转换完全完全功功不不完全完全热热 自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的不可逆的 . 热力学第二定律的热力学第二定律的实质实质无序无序有序有序自发自发非均匀、非平衡非均匀、非平衡均匀、平衡均匀、平衡自发自发第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 不可逆过程的本质不可逆过程的本质 系统从热力学概率小的状态向热力学概率大的系统从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态进行的过程状态进行的过程 . 一切自发过程的普遍规律一切自发过程的普遍规律 概概率小的状态率小的状态概概率大的状态率大的状态l 不可逆过程的统计性质（以气体自由膨胀为例）不可逆过程的统计性质（以气体自由膨胀为例）一个被隔板分为一个被隔板分为A、、B相等两部分的容器，装有相等两部分的容器，装有4个个涂以不同颜色分子。

开始时，涂以不同颜色分子开始时，4个分子都在个分子都在A部，抽部，抽出隔板后分子将向出隔板后分子将向B部扩散并在整个容器内无规则运部扩散并在整个容器内无规则运动隔板被抽出后，动隔板被抽出后，4分子在容器中可能的分布情形分子在容器中可能的分布情形如下图所示：如下图所示：第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环以气体的自由膨胀为例以气体的自由膨胀为例第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环分布分布（宏观态）（宏观态）详细分布详细分布（微观态）（微观态）14641第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环可见：热力学过程进行的方向是从概率小可见：热力学过程进行的方向是从概率小的宏观状态向概率大的宏观状态方向进行，的宏观状态向概率大的宏观状态方向进行，由包含微观状态数目少的宏观状态向包含由包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行，这就是微观状态数目多的宏观状态进行，这就是热力学第二定律的统计意义。

热力学第二定律的统计意义四个分子重新回到左边容器中的概率四个分子重新回到左边容器中的概率为：为：N个分子重新回到左边容器中的概率个分子重新回到左边容器中的概率为：为：第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环无序无序有序有序非非自发传热自发传热自发传热自发传热高温物体高温物体低温物体低温物体热传导热传导热功转换热功转换概概率小的状态率小的状态概概率大的状态率大的状态第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环 1）） 在在相同相同高温热源和低温热源之间工作的任高温热源和低温热源之间工作的任意工作物质的意工作物质的可逆机可逆机都具有都具有相同相同的效率的效率 . 六六 卡诺定理卡诺定理 2）） 工作在工作在相同相同的高温热源和低温热源之间的的高温热源和低温热源之间的一切一切不不可逆机的效率都可逆机的效率都不可能不可能大于可逆机的效率大于可逆机的效率 .( 不不可逆机可逆机 )（（可逆可逆机机））以卡诺机为例，有以卡诺机为例，有第五章第五章 热力学基础热力学基础物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）5 5 – 7 7 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环七七 能量品质能量品质能量转换和守恒定律能量转换和守恒定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第二定律卡诺定理卡诺定理有用能是受到限制的有用能是受到限制的低温热源低温热源高温热源高温热源卡诺热机卡诺热机可利用的能量越多，可利用的能量越多，该该能量品质能量品质越好越好,反反之则差之则差.。