?
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
0??E 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
V 0
P
V 0
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,
循环图形的外形简单，实际过程复杂。
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
DABC
DABC
DABC 0
SS
AEE
QQ
??
??
??
??
?
思考,
之间的关系？DABC S,S
Ａ
B
C
p
Ｄ
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?
1021 ???? ?TT
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 ?
等压膨胀。
喷油、燃烧,cb ?
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
0??E 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
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( 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
V 0
P
V 0
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,
循环图形的外形简单，实际过程复杂。
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
DABC
DABC
DABC 0
SS
AEE
??
??
??
??
?
思考,
之间的关系？DABC S,S
Ａ
B
C
p
Ｄ
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
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1
2
1
21
1
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1
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1
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1
21
T
T???
决定仅由 21,TT?
1021 ???? ?TT
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 ?
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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
?
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?
???
?
?
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V
TT
TT
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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
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V
V
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1
1
1
2
31
2
1
2
3
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绝热压缩ba ?
等压膨胀。
喷油、燃烧,cb ?
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
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吸
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431
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4,燃气涡轮机的循环
