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本章共 4讲第六篇 多粒子体系的热运动第 20章 热力学第一定律和第二定律热力学,紧密围绕 热机 的研究和应用 ——工作物质重复进行某些过程，不断吸热做功一、循环过程
1,定义,系统经历一系列变化后又回到初始状态的整个过程叫循环过程。
准静态循环过程 —相图中的闭合曲线顺时针,正循环逆时针,逆循环
§ 20.3 循环过程 卡诺循环
（热力学第一定律的应用，引入第二定律的桥梁）
2,共同特征
0E 热力学第一定律,净净 AQ?
3,正循环及其效率特征,0 净净 AQ
热机的循环,
从外界吸热 —对外做功 A
1Q
2Q
实例,蒸汽机的循环
21 AAA净
21 QQQ净效率,
1
2
1
21
1
Q
Q
Q
QQ
Q
A
吸净
推广到一般情况 ——热机的能量转换,
从高温热源吸热
（可能不止一个）
1Q
向低温热源放热
2Q
（可能不止一个）
对外做功 21 QQQA 净净效果代价热机效率,
1
2
1
21 1
Q
Q
Q
QQ
Q
A
吸净?
)()(.)TT(CQ abVab J2 0 8 03 0 04 0 031825
)(..VVRTQ
b
c
bbc J823262ln400318ln
( J )1174521ln300318ln,.VVRTQ
d
a
dda
)()TT(CQ cdVcd J2 0 8 0
？图循环双原子分子理想气体如m o l1例一,
注意是 T-V 图斯特林循环
3 0 0 K,4 0 0 K adbc TT
解：
总吸热
( J )844062080823261,.Q
总放热
( J )138251174520802,.Q
%.Q QQQA 213
1
21
1
净?
热机效率：
4,逆循环及致冷系数特征,0
净净 AQ
外界对系统做功 ——
系统向外界放热致冷机的循环：
实例,电冰箱能量转换：
外界对系统做功 A
从低温热源吸热 2Q （效果）
（代价）
向高温热源放热
AQQ 21
注意,这里的 Q2 仅是循环过程中系统从冷库吸收的热量 —— 衡量致冷的效力致冷系数：
A
Qw 2?
介绍,空调机的循环
（对大气致冷）
冷泵（ A) 房间 )Q( 2 大气 )Q( 1 室内降温（对房间致冷）
热泵（ A) 大气 )Q( 2 房间 )Q( 1 室内升温季节 作用 低温热源 高温热源 效果夏天冬天
A
Q2 Q
1
夏天
A Q2
Q1
冬天氟里昂对臭氧层的破坏
,,,合物中的氢部分或全部取代碳氢化用 BrClF
22,FClC如生成的化合物。
引起公害
23 OC l OOCl
2OClOC l O
循环反应,分子破坏 3O游离氧原子臭氧 )( 3o 层：地面上空 20-50 km 的同温层中作用,保护地球表面免受某些具有破坏性的紫外线辐射，控制地球气温（散热片）
保护臭氧层介绍：
晒斑，雪盲，视力损害，皮肤癌，白内障 ……
植物生长率下降，海洋生物减少
）氟里昂 %30;%70( 2CO
气候异常，农业、畜牧业受损，国土干燥化，北极冰帽熔化，海平面上升，大陆被淹 ……
后果紫外线辐射增强温室效应美国科学家提出：在太空安装 d=2000km的巨型反射镜，面向太阳，拒阳光于数百万千米之外。
英国科学家提出：
用飞行器在地球大气层上部拉开一张巨型金属网，阻挡阳光直达地面设想效果,阻挡 1％阳光，使地球降温。保护 100km2土地。
1987.9 蒙特利尔 1990.6 伦敦会议决定 2000年停止生产和消费氟里昂，
发展中国家延长 10年,
解决途径寻找纯工质替代物（无 Cl)
磁致冷半导体致冷激光制冷
…… 磁致冷装置确立新的自然观 —20世纪人类最重要的发现之一介绍：
人类自然观的三个阶段原始社会,视自然为神灵，人是自然的奴隶生产力提高，科技发展农业社会工业社会认识到人对自然的能动作用人是自然 的主人，改造自然，人定胜天人口激增，资源枯竭，环境恶化新自然观新自然观：
人归根到底是自然的一部分，人的能力是自然力的一部分，人类的未来最终要取决于自然的未来。
人既不能满足于做自然的奴隶，也不能希求作为自然的主宰，而要关心、保护生态环境，与自然共生、共荣、和谐发展。
以生态环境良性循环为基础的发展，不牺牲后代人发展条件的发展。
可持续发展战略：
基本国策之一二、卡诺循环
“为了最完整地研究 由热得到动力的道理,必须不依赖于任何特定机构和任何特殊的工作物质，必须使所进行的讨论不仅适合于蒸汽机，而且可以应用于一切可以想象的热机，不管它们用的什么物质，也不管它们如何动作” －－－ 卡诺卡诺,Sadi Carnot 1796—1832
法国青年工程师，具有科学家素质。
着眼点高，热力学创始人之一。
1,研究循环过程的理想模型 ——卡诺循环
P
V0
P
V0
是否最简单？
思考,试设想最简单的循环模型怎样才简单？ 热源最少。
要无穷多个热源才能得以实现，
外形简单，实际上复杂等温线 等温线卡诺循环：
工质只与两个恒温热源交换能量的准静态循环卡诺正循环 卡诺逆循环
)TT( 21?
如何在 P-V 图中表示？
1）与两个恒温热源交换能量
2）不与其它热源交换能量
——两个等温过程
——两个绝热过程特点 简单：只需要两个热源重要：可以组成任何一种循环卡诺循环过程：
吸热内能不变，从等温膨胀 1TBA?
放热内能不变，向等温压缩 2,TDC?
对外作功，内能降低绝热膨胀CB?
外界作功，内能升高绝热压缩AD?
例如：
正循环
2,理想气体的卡诺循环
1） 正循环效率等温过程：
1
2
111 ln21 V
VRTMAQ
4
3
22 ln43 V
VRTM|Q|
绝热过程：
13212132 VTVT
14211114 VTVT 4
3
1
2
V
V
V
V?
p
1
2
1
21
1
2
1
4
3
2
1
2
1
1
21
1
ln
lnln
T
T
T
TT
V
V
RT
M
V
V
RT
M
V
V
RT
M
Q
|Q|Q
1
21
T
T
决定仅由 21,TT?
1021TT
21,TT 降低途径，升高提高?
高温 T1
低温 T2
Q1
Q2 A = Q1 -Q2
1.卡诺机必须有两个热源。其效率与工作物质无关，
只与两热源温度有关。
波音飞机不用价格较贵的高标号汽油作燃料，而采用航空煤油作燃料。
12 /.2 TT，要求为提高? 越小越好，但低温热源的温度为外界大气的温度，不宜人为地改变，只能提高高温热源温度。
日本开发出陶瓷发动机，其良好的绝热性能可保持高温热源的温度。
3.美国的两个洲在 2005年将禁止燃烧汽油的汽车进入，
而使用燃料电池供电的汽车。
信息：
p
等温过程：
1
2
111 ln12 V
VRTMAQ
4
3
22 ln34 V
VRTMQ
绝热过程：
13212123 VTVT
14211141 VTVT
4
3
1
2
V
V
V
V?
2) 逆循环制冷系数
21
2
TT
Tw
就要消耗更多的功。
源中吸热要从温度越低的低温热:,2 wT
4
3
2
1
2
1
4
3
2
21
22
lnln
ln
V
V
RT
M
V
V
RT
M
V
V
RT
M
QQ
Q
A
Q
w
高温 T1
低温 T2
Q2
A
Q1= A+ Q2
注意公式适用条件
A
Q
w
Q
Q
Q
A
2
1
21
吸净?
对一切循环适用
21
2
1
21
TT
T
w
T
T
只对卡诺循环适用练习 1.
一卡诺机进行如图两个循环，其相互关系为：
（ 1） 2121 AA
（ 2） 2121 AA
（ 3） 2121 AA
（ 4） 2121 AA
c?
答案,（ 4）正确如图两个循环过程：
过程 2 1— 2 等温,2— 3' 等体
3'— 4等压,4— 1 绝热。
过程 1 1— 2 等温,2— 3 绝热
3— 4 等压,4— 1 绝热。
试比较哪个过程热机效率高。
1 2
34 '3
p
Vo
等温线绝热线练习 2.
两个过程吸热是一样的，
但循环面积不同，循环过程作功不同，
解答：
212121, AAQQ
将一台家用电冰箱视为理想卡诺致冷机，放在室内，K3 0 0?T
热量，设取热取出 J1009.2 5?
求做一盘冰所需的功，所需时间，所要求的电功率各为多少？
的冰需要从冷冻室制一盘 c13 o?
,Js1009.2 -12?速率练习 3.
解,56260300 260
21
2,
TT
Tw?
J10092 52,Q
( J )1022356 10092 452,..wQA
（分）716( s )1010092 10092 32
5
2,
.
.
q
Qt
)(..tAp W23210 10223 3 4
三,实际技术中的典型循环
1,汽油机：奥托循环绝热压缩ba?
电点火cb?
等体升压绝热膨胀dc?
等体放热ad?
两个绝热过程,两个等体过程
1
1
1
2 11)(11
V
V
TT
TT
bc
ad
2
1
V
V 压缩比
2,柴油机,狄塞尔循环两个绝热过程，一个等压过程，一个等体过程
)
V
V
()
V
V
(
)
V
V
(
1
1
1
2
31
2
1
2
3
绝热压缩ba?
喷油、燃烧cb?
等压膨胀绝热膨胀dc?
等体放热ad?
3,斯特林循环 （多用于致冷机）
自学,Ｐ 655 例 1,例 2 ； Ｐ 658 例 4
的推导过程和 w?
两个等温过程两个等体过程
21
2
TT
Tw
吸放
Q
Q 1?
12
431
TT
TT
1
1
21 )
p
p(
0d21 p
)TT(CMQ p 12吸
0d32 Q
113122 pTpT
0d43 p )TT(CMQ p 34放
0d14 Q 121114 pTpT
4,燃气涡轮机的循环
本章共 4讲第六篇 多粒子体系的热运动第 20章 热力学第一定律和第二定律热力学,紧密围绕 热机 的研究和应用 ——工作物质重复进行某些过程，不断吸热做功一、循环过程
1,定义,系统经历一系列变化后又回到初始状态的整个过程叫循环过程。
准静态循环过程 —相图中的闭合曲线顺时针,正循环逆时针,逆循环
§ 20.3 循环过程 卡诺循环
（热力学第一定律的应用，引入第二定律的桥梁）
2,共同特征
0E 热力学第一定律,净净 AQ?
3,正循环及其效率特征,0 净净 AQ
热机的循环,
从外界吸热 —对外做功 A
1Q
2Q
实例,蒸汽机的循环
21 AAA净
21 QQQ净效率,
1
2
1
21
1
Q
Q
Q
Q
A
吸净
推广到一般情况 ——热机的能量转换,
从高温热源吸热
（可能不止一个）
1Q
向低温热源放热
2Q
（可能不止一个）
对外做功 21 QQQA 净净效果代价热机效率,
1
2
1
21 1
Q
Q
Q
Q
A
吸净?
)()(.)TT(CQ abVab J2 0 8 03 0 04 0 031825
)(..VVRTQ
b
c
bbc J823262ln400318ln
( J )1174521ln300318ln,.VVRTQ
d
a
dda
)()TT(CQ cdVcd J2 0 8 0
？图循环双原子分子理想气体如m o l1例一,
注意是 T-V 图斯特林循环
3 0 0 K,4 0 0 K adbc TT
解：
总吸热
( J )844062080823261,.Q
总放热
( J )138251174520802,.Q
%.Q QQQA 213
1
21
1
净?
热机效率：
4,逆循环及致冷系数特征,0
净净 AQ
外界对系统做功 ——
系统向外界放热致冷机的循环：
实例,电冰箱能量转换：
外界对系统做功 A
从低温热源吸热 2Q （效果）
（代价）
向高温热源放热
AQQ 21
注意,这里的 Q2 仅是循环过程中系统从冷库吸收的热量 —— 衡量致冷的效力致冷系数：
A
Qw 2?
介绍,空调机的循环
（对大气致冷）
冷泵（ A) 房间 )Q( 2 大气 )Q( 1 室内降温（对房间致冷）
热泵（ A) 大气 )Q( 2 房间 )Q( 1 室内升温季节 作用 低温热源 高温热源 效果夏天冬天
A
Q2 Q
1
夏天
A Q2
Q1
冬天氟里昂对臭氧层的破坏
,,,合物中的氢部分或全部取代碳氢化用 BrClF
22,FClC如生成的化合物。
引起公害
23 OC l OOCl
2OClOC l O
循环反应,分子破坏 3O游离氧原子臭氧 )( 3o 层：地面上空 20-50 km 的同温层中作用,保护地球表面免受某些具有破坏性的紫外线辐射，控制地球气温（散热片）
保护臭氧层介绍：
晒斑，雪盲，视力损害，皮肤癌，白内障 ……
植物生长率下降，海洋生物减少
）氟里昂 %30;%70( 2CO
气候异常，农业、畜牧业受损，国土干燥化，北极冰帽熔化，海平面上升，大陆被淹 ……
后果紫外线辐射增强温室效应美国科学家提出：在太空安装 d=2000km的巨型反射镜，面向太阳，拒阳光于数百万千米之外。
英国科学家提出：
用飞行器在地球大气层上部拉开一张巨型金属网，阻挡阳光直达地面设想效果,阻挡 1％阳光，使地球降温。保护 100km2土地。
1987.9 蒙特利尔 1990.6 伦敦会议决定 2000年停止生产和消费氟里昂，
发展中国家延长 10年,
解决途径寻找纯工质替代物（无 Cl)
磁致冷半导体致冷激光制冷
…… 磁致冷装置确立新的自然观 —20世纪人类最重要的发现之一介绍：
人类自然观的三个阶段原始社会,视自然为神灵，人是自然的奴隶生产力提高，科技发展农业社会工业社会认识到人对自然的能动作用人是自然 的主人，改造自然，人定胜天人口激增，资源枯竭，环境恶化新自然观新自然观：
人归根到底是自然的一部分，人的能力是自然力的一部分，人类的未来最终要取决于自然的未来。
人既不能满足于做自然的奴隶，也不能希求作为自然的主宰，而要关心、保护生态环境，与自然共生、共荣、和谐发展。
以生态环境良性循环为基础的发展，不牺牲后代人发展条件的发展。
可持续发展战略：
基本国策之一二、卡诺循环
“为了最完整地研究 由热得到动力的道理,必须不依赖于任何特定机构和任何特殊的工作物质，必须使所进行的讨论不仅适合于蒸汽机，而且可以应用于一切可以想象的热机，不管它们用的什么物质，也不管它们如何动作” －－－ 卡诺卡诺,Sadi Carnot 1796—1832
法国青年工程师，具有科学家素质。
着眼点高，热力学创始人之一。
1,研究循环过程的理想模型 ——卡诺循环
P
V0
P
V0
是否最简单？
思考,试设想最简单的循环模型怎样才简单？ 热源最少。
要无穷多个热源才能得以实现，
外形简单，实际上复杂等温线 等温线卡诺循环：
工质只与两个恒温热源交换能量的准静态循环卡诺正循环 卡诺逆循环
)TT( 21?
如何在 P-V 图中表示？
1）与两个恒温热源交换能量
2）不与其它热源交换能量
——两个等温过程
——两个绝热过程特点 简单：只需要两个热源重要：可以组成任何一种循环卡诺循环过程：
吸热内能不变，从等温膨胀 1TBA?
放热内能不变，向等温压缩 2,TDC?
对外作功，内能降低绝热膨胀CB?
外界作功，内能升高绝热压缩AD?
例如：
正循环
2,理想气体的卡诺循环
1） 正循环效率等温过程：
1
2
111 ln21 V
VRTMAQ
4
3
22 ln43 V
VRTM|Q|
绝热过程：
13212132 VTVT
14211114 VTVT 4
3
1
2
V
V
V
V?
p
1
2
1
21
1
2
1
4
3
2
1
2
1
1
21
1
ln
lnln
T
T
T
TT
V
V
RT
M
V
V
RT
M
V
V
RT
M
Q
|Q|Q
1
21
T
T
决定仅由 21,TT?
1021TT
21,TT 降低途径，升高提高?
高温 T1
低温 T2
Q1
Q2 A = Q1 -Q2
1.卡诺机必须有两个热源。其效率与工作物质无关，
只与两热源温度有关。
波音飞机不用价格较贵的高标号汽油作燃料，而采用航空煤油作燃料。
12 /.2 TT，要求为提高? 越小越好，但低温热源的温度为外界大气的温度，不宜人为地改变，只能提高高温热源温度。
日本开发出陶瓷发动机，其良好的绝热性能可保持高温热源的温度。
3.美国的两个洲在 2005年将禁止燃烧汽油的汽车进入，
而使用燃料电池供电的汽车。
信息：
p
等温过程：
1
2
111 ln12 V
VRTMAQ
4
3
22 ln34 V
VRTMQ
绝热过程：
13212123 VTVT
14211141 VTVT
4
3
1
2
V
V
V
V?
2) 逆循环制冷系数
21
2
TT
Tw
就要消耗更多的功。
源中吸热要从温度越低的低温热:,2 wT
4
3
2
1
2
1
4
3
2
21
22
lnln
ln
V
V
RT
M
V
V
RT
M
V
V
RT
M
Q
A
Q
w
高温 T1
低温 T2
Q2
A
Q1= A+ Q2
注意公式适用条件
A
Q
w
Q
Q
Q
A
2
1
21
吸净?
对一切循环适用
21
2
1
21
TT
T
w
T
T
只对卡诺循环适用练习 1.
一卡诺机进行如图两个循环，其相互关系为：
（ 1） 2121 AA
（ 2） 2121 AA
（ 3） 2121 AA
（ 4） 2121 AA
c?
答案,（ 4）正确如图两个循环过程：
过程 2 1— 2 等温,2— 3' 等体
3'— 4等压,4— 1 绝热。
过程 1 1— 2 等温,2— 3 绝热
3— 4 等压,4— 1 绝热。
试比较哪个过程热机效率高。
1 2
34 '3
p
Vo
等温线绝热线练习 2.
两个过程吸热是一样的，
但循环面积不同，循环过程作功不同，
解答：
212121, AAQQ
将一台家用电冰箱视为理想卡诺致冷机，放在室内，K3 0 0?T
热量，设取热取出 J1009.2 5?
求做一盘冰所需的功，所需时间，所要求的电功率各为多少？
的冰需要从冷冻室制一盘 c13 o?
,Js1009.2 -12?速率练习 3.
解,56260300 260
21
2,
TT
Tw?
J10092 52,Q
( J )1022356 10092 452,..wQA
（分）716( s )1010092 10092 32
5
2,
.
.
q
Qt
)(..tAp W23210 10223 3 4
三,实际技术中的典型循环
1,汽油机：奥托循环绝热压缩ba?
电点火cb?
等体升压绝热膨胀dc?
等体放热ad?
两个绝热过程,两个等体过程
1
1
1
2 11)(11
V
V
TT
TT
bc
ad
2
1
V
V 压缩比
2,柴油机,狄塞尔循环两个绝热过程，一个等压过程，一个等体过程
)
V
V
()
V
V
(
)
V
V
(
1
1
1
2
31
2
1
2
3
绝热压缩ba?
喷油、燃烧cb?
等压膨胀绝热膨胀dc?
等体放热ad?
3,斯特林循环 （多用于致冷机）
自学,Ｐ 655 例 1,例 2 ； Ｐ 658 例 4
的推导过程和 w?
两个等温过程两个等体过程
21
2
TT
Tw
吸放
Q
Q 1?
12
431
TT
TT
1
1
21 )
p
p(
0d21 p
)TT(CMQ p 12吸
0d32 Q
113122 pTpT
0d43 p )TT(CMQ p 34放
0d14 Q 121114 pTpT
4,燃气涡轮机的循环
