热学-循环过程课件.pptx

1、锅炉锅炉烟筒烟筒现代火力发电厂结构示意图现代火力发电厂结构示意图碾磨机碾磨机空气空气喷射给水器喷射给水器发电机发电机水管水管冷凝塔冷凝塔除尘器除尘器涡轮涡轮水泵水泵传送带传送带冷凝器冷凝器锅炉锅炉泵泵汽缸汽缸吸热吸热Q1高温热库高温热库T1低温热库低温热库T2蒸汽机工作原理示意图（蒸汽机工作原理示意图（1）水箱水箱泵泵冷凝器冷凝器锅炉锅炉泵泵汽缸汽缸吸热吸热Q1高温热库高温热库T1低温热库低温热库T2蒸汽机工作原理示意图蒸汽机工作原理示意图(2)气体膨胀做功气体膨胀做功A1泵泵水箱水箱冷凝器冷凝器锅炉锅炉吸热吸热Q1放热放热Q2蒸汽机工作原理示意图蒸汽机工作原理示意图(3)水箱水箱外界对气体做

2、功外界对气体做功A2泵泵泵泵汽缸汽缸高温热库高温热库T1低温热库低温热库T2实例：火力发电厂的热力循环实例：火力发电厂的热力循环 水泵水泵A1 A2 Q1锅炉锅炉 汽轮机汽轮机冷凝器冷凝器电力输出电力输出 Q2 绝热绝热VO| |Q2| | p饱饱 pQ1A泵泵气缸气缸T1 Q1T2 Q2A1锅炉（高温热库）锅炉（高温热库）冷凝器（低温热库）冷凝器（低温热库）A2 历史上，热力学最初是在研究蒸汽机工作过程的基础上发历史上，热力学最初是在研究蒸汽机工作过程的基础上发展起来的。展起来的。在循环中被利用来吸收热量并在循环中被利用来吸收热量并对外做功的物质系统称工作物质。对外做功的物质系统称工作物质。

3、三、循环的特征三、循环的特征二、工作物质（工质）二、工作物质（工质）：U0AabcdPoVV1V2一、循环过程一、循环过程 若物质系统由某个状态出发，经过若物质系统由某个状态出发，经过任意的一系列过程，最后回到原来的状任意的一系列过程，最后回到原来的状态，这样的过程称为循环过程，或简称态，这样的过程称为循环过程，或简称循环。循环。P-V图上的循环过程图上的循环过程 如果循环的各阶段均为准静态过程，则循如果循环的各阶段均为准静态过程，则循环过程可用闭合曲线表示：环过程可用闭合曲线表示：正正( (热热) )循环循环逆逆( (致冷致冷) )循环循环系统对外界做净功系统对外界做净功A外界对系统做净功外

4、界对系统做净功AA = Q吸吸Q放放Q吸吸= Q放放A pVAQ吸吸Q放放pVAQ放放Q吸吸1.正循环（正循环（PV图上顺时针的循环）图上顺时针的循环）四、循环效率四、循环效率吸热吸热Q1放热放热Q221QQ 1QA净正循环是把热量持续地转化为功的机器，这种机器称热机。正循环是把热量持续地转化为功的机器，这种机器称热机。例如：蒸汽机、内燃机、汽轮机等都是热机。例如：蒸汽机、内燃机、汽轮机等都是热机。AabcdPoVV1V2由热力学第一定律由热力学第一定律定义热机效率为：定义热机效率为：121QQQ 121QQ21AA 净A 效率：效率：在一次循环中，工质对外做的净功占它在一次循环中，工质对外做

5、的净功占它吸收的热量的比率。吸收的热量的比率。工质经历循环是任意的，包括非准静态过程。工质经历循环是任意的，包括非准静态过程。工质复原内能不变，工质复原内能不变， U0， 系统向外界放热系统向外界放热2Q系统从外界吸热系统从外界吸热1Q1211211QQQQQQA系统对外界作功系统对外界作功A高温热源高温热源低温热源低温热源A2Q1Q1T2T2.正循环热机及其循环效率图示正循环热机及其循环效率图示a b c d p V系统对外界作功系统对外界作功%100112 QQ 如果取消低温热库（如果取消低温热库（Q2=0) ) 这种从单一热源吸热全部用于对外做功的这种从单一热源吸热全部用于对外做功的热机

6、，称为第二类永动机。热机，称为第二类永动机。工质工质Q1高温热源高温热源T1A1pV2T1Q1等温吸热等温吸热A绝热压缩绝热压缩3.3.第二类永动机第二类永动机能制成吗？能制成吗？能实现吗能实现吗? ?致冷机工作原理示意图致冷机工作原理示意图汽缸汽缸放热放热Q1吸热吸热Q2节流阀节流阀外界对气体做功外界对气体做功A低温热库低温热库T2高温热库高温热库T1冷凝器冷凝器 五、逆循环（五、逆循环（PV图上逆时针的循环）图上逆时针的循环）致冷循环致冷循环012净AQQ2122QQQAQ净 逆循环是利用外界做功从低温热库吸热，向高温热库放热逆循环是利用外界做功从低温热库吸热，向高温热库放热的机器。这样的

7、机器称致冷机，如冰箱。的机器。这样的机器称致冷机，如冰箱。放热放热Q1吸热吸热Q2AabcdPoVV1V2由热力学第一定律由热力学第一定律致冷系数：致冷系数：例例2-92-9：一定量的理想气体经历如图所示的循一定量的理想气体经历如图所示的循环过程。环过程。ADAD、BCBC是绝热过程。是绝热过程。 ABAB、CDCD是等压是等压过程过程. . 试求此循环的效率试求此循环的效率? ? 已知已知KTKT40030021 解：解：分析分析,AD,AD、BCBC是绝热过是绝热过程吸、放热仅在程吸、放热仅在ABAB、CDCD)TT(CQm,p231 p pV VA AB BC CD D1Q2QT3T4T

8、2T1)TT(CQm,p142 )TT()TT(QQ23141211 ADAD、BCBC是绝热过程是绝热过程恒量1 Tp 111212411312TpTpTpTp1243TTTT 0021254311 TTp pV VA AB BC CD D1Q2QT3T4T2T12-8 技术上的循环实例技术上的循环实例 摘自中国大百科全书 章又新绘工质工质点点火火装装置置活活塞塞进进气气阀阀排排气气阀阀V1VPV2ae吸吸气气吸入燃料过程吸入燃料过程, 等压膨胀等压膨胀V1VPbaV2e绝热压缩压压缩缩压缩较快，气缸散热较慢，压缩较快，气缸散热较慢，可看作一绝热过程，温度可看作一绝热过程，温度升高，压强增大

9、。升高，压强增大。VPabec绝热压缩吸热吸热Q1点火V1V2爆炸时间短促，活塞爆炸时间短促，活塞在这一瞬间移动的距在这一瞬间移动的距离极小，这近似是个离极小，这近似是个等体吸热过程。等体吸热过程。VPcabe绝热压缩d绝热膨胀吸热吸热Q1作作功功V1V2压强随着气体的膨胀而降低，压强随着气体的膨胀而降低，爆炸后的作功过程可看成一绝爆炸后的作功过程可看成一绝热过程（图中过程热过程（图中过程cd）。）。VPcadbe绝热压缩绝热膨胀吸热吸热Q1放热放热Q2放放热热V1V2开放排气口，使气体压强突然降为开放排气口，使气体压强突然降为大气压，这过程近似于一个等体放大气压，这过程近似于一个等体放热过程

10、（图中过程热过程（图中过程da）VPcaeb绝热压缩d绝热膨胀吸热吸热Q1放热放热Q2V1V2排排气气由飞轮的惯性带动活塞，排出废气，由飞轮的惯性带动活塞，排出废气，这是个等压过程（图中过程这是个等压过程（图中过程ae）。）。V1VPcadV2be绝热压缩绝热膨胀吸热吸热Q1放热放热Q2吸吸气气V1V2Vcadb绝热压缩绝热压缩绝热膨胀绝热膨胀吸热吸热Q1放热放热Q2P热机循环效率：热机循环效率： 31112bcadTTTTQQ 1)(1bcVmolTTCMMQ 2)(2adVmolTTCMMQbc等体吸热等体吸热da等体放热等体放热 51211VTVTcd 41211VTVTba 7)()(

11、112VVTTTTbcad 6)()(1211VTTVTTbcad)()(1bcadTTTTcd绝热膨胀过程：绝热膨胀过程： 81112VVab绝热压缩过程：绝热压缩过程：V1V2Vcadb绝热压缩绝热压缩绝热膨胀绝热膨胀吸热吸热Q1放热放热Q2P7112VV4 . 157当：当：55. 071114 . 0112VV75,21VV111绝热压缩比：绝热压缩比：V)TT(CQm,V231 )TT(CQm,V142 23141211TTTTQQ =Q1=Q2144133VTVT 122111VTVT 111 比压缩21VV 比比比热比热vpCC 121121111 VVTT32VV 14VV =

12、Q1=Q214234312TTTTTTTT =1.4 = = =Q1=Q20)(14,2TTCQmV)TT(CQm,P231 =Q1=Q2)TT(T)TT(T111232141 )TT(TTQQ23141211 比压缩21VV 比比比比热热vpCC 定压膨胀比定压膨胀比23VV 144133VTVT 111122VTVT =Q1=Q2)(111111 14VV )(111111 比压缩21VV 定压膨胀比定压膨胀比23VV 节流器节流器蒸发器蒸发器汽缸汽缸放热放热Q1吸热吸热Q2低温热库低温热库T T2 2高温热库高温热库T T1 1节流阀节流阀空调器工作原理示意图（空调器工作原理示意图（夏季

13、夏季）外界对气体做功外界对气体做功A室外室外（二）电冰箱和制冷空调机原理（二）电冰箱和制冷空调机原理1、工质：、工质：低温不液化物质！低温不液化物质！NH3氟里昂氟里昂（R12，CF2C2破坏臭氧层）破坏臭氧层）R134aR134a（C C2 2H H2 2F F4 4四氟代四氟代乙烷）乙烷） 2、原理：、原理：工质被压缩至放热后液化工质被压缩至放热后液化经膨胀阀压强下降而进入经膨胀阀压强下降而进入蒸发器，工质沸腾，从冷冻室内吸收汽化热降温蒸发器，工质沸腾，从冷冻室内吸收汽化热降温工质蒸工质蒸汽进行下一循环。汽进行下一循环。汽缸汽缸放热放热Q1吸热吸热Q2高温热库高温热库T1节流阀节流阀空调器

14、工作原理示意图（空调器工作原理示意图（冬季冬季）室外室外低温热库低温热库T2外界对气体做功外界对气体做功A 冬季冬季, ,使被压缩的蒸汽先通过室内换热器经凝结而向室内空使被压缩的蒸汽先通过室内换热器经凝结而向室内空气气( (高温热源高温热源) )放热放热, ,然后变成低压液体通过室外换热器经蒸发然后变成低压液体通过室外换热器经蒸发而从室外空气而从室外空气( (低温热源低温热源) )吸热吸热, ,把设备用作把设备用作热泵热泵, ,给室内供热给室内供热. . 把热量从低温物体抽到高温物体的装置叫热泵。空调器，把热量从低温物体抽到高温物体的装置叫热泵。空调器，其工作原理与致冷机相同。冰箱的工作目的在

15、于从低温物体吸其工作原理与致冷机相同。冰箱的工作目的在于从低温物体吸出热量使之温度更低；空调出热量使之温度更低；空调 器的工作目的在于夏季使低温热库器的工作目的在于夏季使低温热库温度更低，冬季使高温热库温度更高。温度更低，冬季使高温热库温度更高。思考问题：思考问题：1. 夏季能否用打开冰箱的门方法使房间降温？夏季能否用打开冰箱的门方法使房间降温？2. 什么叫热泵？空调器与冰箱有什么不同？什么叫热泵？空调器与冰箱有什么不同？例例 2-10 2-10 逆向斯特林致冷循环的热力学循环原理如逆向斯特林致冷循环的热力学循环原理如图所示，该循环由四个过程组成，先把工质由初态图所示，该循环由四个过程组成，先

16、把工质由初态 c c 等温压缩到等温压缩到 d d 状态，再等体降温到状态，再等体降温到 a a 状态，然后经状态，然后经等温膨胀达到等温膨胀达到 b b 状态，最后经等体升温回到初态状态，最后经等体升温回到初态 c c ，完成一个循环。试求该致冷循环的致冷系数。完成一个循环。试求该致冷循环的致冷系数。 bcbc、da da 是等体过程是等体过程abab、cd cd 是等温过程是等温过程b b、c c；a a、d d 温差相等，所以两温差相等，所以两过程中的吸、放热的量值相等。过程中的吸、放热的量值相等。只计算只计算abab、cd cd 过程的吸、放热，过程的吸、放热，然后做差值即为功。然后做

17、差值即为功。pVadcb1Q2QT1T2V2V11211VVlnRTQ 21QQA 在过程中在过程中 cd cd 中，向外界放出的中，向外界放出的热量为：热量为：整个循环中外界对工质所作的功为：整个循环中外界对工质所作的功为：所以循环的致冷系数为所以循环的致冷系数为2122122TTTQQQAQ 解：解：过程过程 ab ab 中，从冷库吸取的热量为：中，从冷库吸取的热量为：1222VVlnRTQ 冷库与外界环境的冷库与外界环境的温差越大温差越大，或者环境温度一定，或者环境温度一定时，时，冷库温度越低，冷库温度越低， 越小，致冷效果越差。越小，致冷效果越差。 pVadcb1Q2QT1T2V2V1

18、练习练习1：一摩尔单原子理想气体所经历的循环一摩尔单原子理想气体所经历的循环 过程如图所示过程如图所示,其中其中 ab为等温过程为等温过程, 设设V2/V1=2,求循环效率求循环效率答案：答案：004 .132ln4351aV2V1oVPbc等温膨胀等温膨胀)(23caVTTRQca等体过程等体过程,工质吸热工质吸热)(,camVVTTCQ解：解：ab等温过程等温过程,工质吸热工质吸热12lnVVRTQaT121QQ热机循环的效率为：热机循环的效率为：bc等压过程等压过程,工质放热工质放热)(,cbmpPTTCQ)(25caPTTRQTVpQQQ112ln)(23)(251VVRTTTRTTR

19、acaca12ln2)1 (3)1 (51VVTTTTacacaV2V1oVPbc等温膨胀等温膨胀bc等压过程等压过程abbbccTVTVTV21bcacVVTT12ln2)1 (3)1 (51VVTTTTacac004 .132ln4351aV2V1oVPbc等温膨胀等温膨胀oVP区区等温膨胀等温膨胀等温压缩等温压缩T1=300KV2V1abcT2=200Kd练习练习2: 一摩尔氧气作如图所示循环一摩尔氧气作如图所示循环,此循环由两个等体过程和两此循环由两个等体过程和两个等温过程组成个等温过程组成, 已知已知V2=2V1,求循环效率。求循环效率。 (答案答案:15.1)oVP区区等温膨胀等温

20、膨胀等温压缩等温压缩T1=300KV2V1abcT2=200Kd)(25daVTTRQda等体过程等体过程,工质吸热工质吸热)(,damVVTTCQab等温过程等温过程,工质吸热（做功）工质吸热（做功）TTAVVRTQ121lncd等温过程等温过程,工质做功工质做功122lnVVRTATQA净VTTTQQAA2ln)(252ln)(12121TTTTT001 .152ln300100252ln100oVPTc=300KabcTb=400Kd绝热压缩绝热压缩绝热膨胀绝热膨胀练习练习3: 一定量的理想气体一定量的理想气体,经历如图所示的循环过程经历如图所示的循环过程,ab和和cd是等压过程是等压过

21、程,bc和和da是绝热过程是绝热过程,已知已知Tc=300K,Tb=400K, 求此循环的效率。求此循环的效率。 (答案答案:25)oVPTc=300KabcTb=400Kd绝热压缩绝热压缩绝热膨胀绝热膨胀ppQQ121ab等压过程等压过程,工质吸热工质吸热)(,2dcmpPTTCQcd等压过程等压过程,工质放热工质放热)(,1abmpPTTCQ)1 ()1 (1)()(1babcdcabdcTTTTTTTTTTdcabPPPP;ccbbTPTP11bc绝热过程绝热过程da绝热过程绝热过程ddaaTPTP11cdbaTTTT002540030011)1 ()1 (1bcbabcdcTTTTTT

22、TToVPTc=300KabcTb=400Kd绝热压缩绝热压缩绝热膨胀绝热膨胀练习练习4: 摩尔的理想气体摩尔的理想气体,经历如图所示的循环过程经历如图所示的循环过程,ab是等温是等温过程，过程，bc是等体过程是等体过程,ca是绝热过程是绝热过程,已知已知a 点温度为点温度为T1 体体积积V1,b点体积点体积V2, CV,m和和均为已知量。求均为已知量。求(1)C点的温度点的温度;(2)此循此循环的效率。环的效率。 oVTabc绝热过程绝热过程V2V112111VTVTc(1)ca为绝热过程为绝热过程1211VVTTc（2）ba为等温过程为等温过程,工质吸热工质吸热（3）bc为等体过程为等体过

23、程,工质放热工质放热1211lnVVRTQ)(,2cbmVTTCQ)1 (11,TTTCcmV12121,ln11VVVVRCmV121QQ热机循环的效率为：热机循环的效率为：练习练习1：一摩尔单原子理想气体所经历的循环一摩尔单原子理想气体所经历的循环 过程如图所示过程如图所示,其中其中 ab为等温过程为等温过程, 设设V2/V1=2,求循环效率求循环效率答案：答案：004 .132ln4351aV2V1oVPbc等温膨胀等温膨胀)(23caVTTRQca等体过程等体过程,工质吸热工质吸热)(,camVVTTCQ解：解：ab等温过程等温过程,工质吸热工质吸热12lnVVRTQaT121QQ热机

24、循环的效率为：热机循环的效率为：bc等压过程等压过程,工质放热工质放热)(,cbmpPTTCQ)(25caPTTRQTVpQQQ112ln)(23)(251VVRTTTRTTRacaca12ln2)1 (3)1 (51VVTTTTacacaV2V1oVPbc等温膨胀等温膨胀bc等压过程等压过程abbbccTVTVTV21bcacVVTT12ln2)1 (3)1 (51VVTTTTacac004 .132ln4351aV2V1oVPbc等温膨胀等温膨胀oVP区区等温膨胀等温膨胀等温压缩等温压缩T1=300KV2V1abcT2=200Kd练习练习2: 一摩尔氧气作如图所示循环一摩尔氧气作如图所示循

25、环,此循环由两个等体过程和两此循环由两个等体过程和两个等温过程组成个等温过程组成, 已知已知V2=2V1,求循环效率。求循环效率。 (答案答案:15.1)oVP区区等温膨胀等温膨胀等温压缩等温压缩T1=300KV2V1abcT2=200Kd)(25daVTTRQda等体过程等体过程,工质吸热工质吸热)(,damVVTTCQab等温过程等温过程,工质吸热（做功）工质吸热（做功）TTAVVRTQ121lncd等温过程等温过程,工质做功工质做功122lnVVRTATQA净VTTTQQAA2ln)(252ln)(12121TTTTT001 .152ln300100252ln100oVPTc=300Ka

26、bcTb=400Kd绝热压缩绝热压缩绝热膨胀绝热膨胀练习练习3: 一定量的理想气体一定量的理想气体,经历如图所示的循环过程经历如图所示的循环过程,ab和和cd是等压过程是等压过程,bc和和da是绝热过程是绝热过程,已知已知Tc=300K,Tb=400K, 求此循环的效率。求此循环的效率。 (答案答案:25)oVPTc=300KabcTb=400Kd绝热压缩绝热压缩绝热膨胀绝热膨胀ppQQ121ab等压过程等压过程,工质吸热工质吸热)(,2dcmpPTTCQcd等压过程等压过程,工质放热工质放热)(,1abmpPTTCQ)1 ()1 (1)()(1babcdcabdcTTTTTTTTTTdcab

27、PPPP;ccbbTPTP11bc绝热过程绝热过程da绝热过程绝热过程ddaaTPTP11cdbaTTTT002540030011)1 ()1 (1bcbabcdcTTTTTTTToVPTc=300KabcTb=400Kd绝热压缩绝热压缩绝热膨胀绝热膨胀练习练习4: 摩尔的理想气体摩尔的理想气体,经历如图所示的循环过程经历如图所示的循环过程,ab是等温是等温过程，过程，bc是等体过程是等体过程,ca是绝热过程是绝热过程,已知已知a 点温度为点温度为T1 体体积积V1,b点体积点体积V2, CV,m和和均为已知量。求均为已知量。求(1)C点的温度点的温度;(2)此循此循环的效率。环的效率。 oVTabc绝热过程绝热过程V2V112111VTVTc(1)ca为绝热过程为绝热过程1211VVTTc（2）ba为等温过程为等温过程,工质吸热工质吸热（3）bc为等体过程为等体过程,工质放热工质放热1211lnVVRTQ)(,2cbmVTTCQ)1 (11,TTTCcmV12121,ln11VVVVRCmV121QQ热机循环的效率为：热机循环的效率为：