第五章 热力学第一定律(4) 热机发展简介热机发展简介 1698年年萨萨维维利利和和1705年年纽纽可可门门先先后后发发明明了了蒸蒸汽汽机机，当当时时蒸蒸汽汽机机的的效效率率极极低低。1765年年瓦瓦特特进进行行了了重重大大改改进进 ，大大大大提提高高了了效效率率。人人们们一一直直在在为为提提高高热热机机的的效效率率而而努努力力，从从理理论论上上研研究究热热机机效效率率问问题题，一一方方面面指指明明了了提提高高效效率率的的方向，另一方面也推动了热学理论的发展方向，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7 循环过程和卡诺循环循环过程和卡诺循环热机热机 ：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 .冰箱循环示意图冰箱循环示意图 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 .一、循环过程及其效率一、循环过程及其效率AB如果如果循环循环是是准静态过程，在准静态过程，在PV 图上就构成一闭合曲图上就构成一闭合曲线线系统（工质）对外所作的净功系统（工质）对外所作的净功正循环、逆循环正循环、逆循环 正循环正循环(循环循环沿顺时针方向进行沿顺时针方向进行)逆循环逆循环(循环沿循环沿逆时针逆时针方向进行方向进行)（系统对外作功系统对外作功）Q1Q2abVpO根据热力学第一定律，有根据热力学第一定律，有（系统对外作负功系统对外作负功）正循环正循环也称为热机也称为热机循环循环逆循环逆循环也称为致冷也称为致冷循环循环Q1Q2abVpO热机热机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热机效率热机效率=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AB1423 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12、23、34、41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1423例例:汽油机可近似看成如图循环过程汽油机可近似看成如图循环过程(Otto循环循环)，其中，其中1 2和和3 4为绝热过程，求此循环效率。为绝热过程，求此循环效率。 解解: 系统在一个奥托循环中从系统在一个奥托循环中从外界吸收的热量外界吸收的热量Q1和向外界释放和向外界释放的热量的热量Q2 分别为分别为根据热机效率的定义，有根据热机效率的定义，有1234V1V2Vpo因为因为12和和34都是绝热过程，所以有都是绝热过程，所以有 由此可得由此可得 所以所以 式中式中V1/V2称为称为绝热压缩比绝热压缩比。由上式可以看出，奥。由上式可以看出，奥托循环的效率完全决定于绝热压缩比。托循环的效率完全决定于绝热压缩比。 卡诺卡诺循环是由两个准静态循环是由两个准静态等温等温过程和两个准静过程和两个准静态态绝热绝热过程组成过程组成 .二、二、卡诺循环卡诺循环及其效率及其效率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年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在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. 给出了热机给出了热机效率的理论极限值效率的理论极限值; 他还提出了著名的卡诺定理他还提出了著名的卡诺定理.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-=ggA B 等温膨胀吸热等温膨胀吸热 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 . 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 图中两卡诺循环图中两卡诺循环 吗吗 ？讨讨 论论只与只与T1和和T2有关有关与物质种类、膨胀的体积无关与物质种类、膨胀的体积无关提高高温热源的温度现实些。提高高温热源的温度现实些。2 ) 理论指导作用理论指导作用 1 )卡诺热机效率卡诺热机效率进一步说明进一步说明热机循环不向低温热源放热是不可能的热机循环不向低温热源放热是不可能的热机循环至少需要两个热源热机循环至少需要两个热源3)理论说明低温热源温度理论说明低温热源温度T2 0 说明热机效率说明热机效率且且只能只能总结：总结：1 1）完成一次卡诺循环必须有温度一定的高温和低完成一次卡诺循环必须有温度一定的高温和低温热源；温热源；2 2）卡诺循环的效率只与两个热源温度有关；卡诺循环的效率只与两个热源温度有关；3 3）卡诺循环效率总小于卡诺循环效率总小于1 1；4 4）在相同高温热源和低温热源之间的工作的一切热在相同高温热源和低温热源之间的工作的一切热机中，卡诺循环的效率最高。机中，卡诺循环的效率最高。例例 一台电冰箱放在室温为一台电冰箱放在室温为 的房间里的房间里 ，冰箱储，冰箱储藏柜中的温度维持在藏柜中的温度维持在 . 现每天有现每天有 的热量的热量自房间传入冰箱内自房间传入冰箱内 , 若要维持冰箱内温度不变若要维持冰箱内温度不变 , 外界每外界每天需作多少功天需作多少功 , 其功率为多少其功率为多少? 设在设在 至至 之间之间运转的致冷机运转的致冷机 ( 冰箱冰箱 ) 的致冷系数是卡诺致冷机致冷系的致冷系数是卡诺致冷机致冷系数的数的 55% .由致冷机致冷系数由致冷机致冷系数 得得房间传入冰箱的热量房间传入冰箱的热量 热平衡时热平衡时保持冰箱在保持冰箱在 至至 之间运转之间运转, 每天需作功每天需作功 功率功率VpOV02V0p02p0 *例例 v 摩尔的单原子分子理想气体，经历如图的热力摩尔的单原子分子理想气体，经历如图的热力学过程，求学过程，求在该过程中，放热和吸热的区域。在该过程中，放热和吸热的区域。例例 1摩尔的单原子分子理想气体，经历如图的顺时针摩尔的单原子分子理想气体，经历如图的顺时针循环，试求循环，试求该循环的效率。该循环的效率。吸热吸热放热放热过渡点过渡点求出放热、吸热的过渡点求出放热、吸热的过渡点132。4VpOV02V0p02p0132。4V (10-3m3)P(105Pa)O1313ABCD1mol单原子理想气体经历了一如单原子理想气体经历了一如下图的准静态过程，求：热机的效率。下图的准静态过程，求：热机的效率。作业：第五章习题作业：第五章习题 9，11，13，15，18，21，22 28，29，32，33