第二章热力循环及其相关理论
热力环流理论解析
热力环流理论解析
简介
热力环流是描述地球大气中能量传递和循环的理论。
它解释了
大气中的温度差异是如何引起空气运动的，并对全球气候和天气产
生重要影响。
本文将对热力环流理论进行解析。
热力环流的基本原理
热力环流理论的核心概念是温度差异引起的气流运动。
当地球
不均匀地受到太阳辐射时，不同地区的气温会有所不同。
热力环流
理论认为，温度差异会导致空气的密度和压力差异，从而引起大气
中的气流运动。
热带环流
热力环流理论的一个重要组成部分是热带环流，它是北半球和
南半球热带地区流动的大规模空气运动。
热带环流主要由两个系统
组成：副热带高压带和赤道低压带。
赤道地区受到强烈的太阳辐射，温度较高，形成低压带；而副热带地区由于地球自转效应，空气下
沉形成高压带。
这种温度差异导致了空气从赤道向副热带地区的运动，形成了热带环流。
中纬度环流
中纬度环流是热力环流理论的另一个重要组成部分，发生在中纬度地区。
中纬度地区的气温变化更加剧烈，由于温度差异，空气受到转动的影响，形成了经向和纬向气流。
经向气流是从西向东的气流运动，而纬向气流是从北向南或从南向北的气流运动。
这种气流运动形成了中纬度环流。
结论
热力环流理论是解释地球大气中能量传递和循环的重要理论。
它能够解释大气中的温度差异如何引起气流运动，并对全球气候和天气产生影响。
热带环流和中纬度环流是热力环流理论的两个重要组成部分。
通过对热力环流的理解，我们能够更好地理解地球上的天气现象。
热力学中的热力循环问题解析
热力学中的热力循环问题解析热力学是研究能量转换与传递的基本科学，而热力循环则是热力学中一个重要的概念。
热力循环指的是通过一系列热量和功的相互转化，使得系统能够完成一定的循环过程。
本文将针对热力循环问题展开详细分析，探讨不同类型的热力循环以及其特点。
1. 热力循环的基本原理热力循环是建立在两个基本原理之上的：热量的传递和功的转换。
热力循环的基本流程包括四个步骤：加热、膨胀、冷却和压缩。
在这个过程中，热量从高温热源传递到工作物质，工作物质经过膨胀和冷却释放出功，然后通过压缩使工作物质重新回到起始状态，循环再次开始。
2. 卡诺循环卡诺循环是热力学中最为理想的循环，被广泛应用于工程实践中。
它由一个等温膨胀过程和一个等温压缩过程组成。
卡诺循环的关键在于将热量的吸收和放出与温度的变化相匹配，实现高效率的能量转换。
卡诺循环的效率被称为卡诺效率，与工作物质所处的温度差有关。
3. 斯特林循环斯特林循环是一种热力循环，常用于制冷领域。
它由两个等温过程和两个等容过程组成。
斯特林循环的特点是在膨胀过程中工作流体吸收热量，而在压缩过程中放出热量。
这种循环方式具有很高的能量转换效率，但实际应用受到一些技术难题的制约。
4. 布雷顿循环布雷顿循环是蒸汽动力机械中最常用的循环方式，也是现代燃气轮机的基础。
布雷顿循环包括四个基本过程：膨胀、加热、压缩和冷却。
在膨胀过程中，工作流体从高压蒸汽状态转变为低压蒸汽状态，并完成功的转化。
布雷顿循环广泛应用于发电厂等能源领域。
5. 热力循环的改进与优化在实际应用中，我们常常需要对热力循环进行改进和优化，以提高系统的效率和性能。
常见的改进方法包括增加循环过程数量、提高工作物质的状态参数、采用多级循环等。
这些改进可以使热力循环适应不同的工程需求，并使能量转换更为高效。
总结：热力循环是热力学中一个重要的概念，通过一系列热量和功的相互转化，完成能量的循环转换。
卡诺循环、斯特林循环和布雷顿循环是热力循环的常见类型，它们在不同领域中得到广泛应用。
热力学循环的分类和工作原理
热力学循环的分类和工作原理热力学循环是指通过一系列的热能转换过程，将热能转化为机械能的过程。
它在能源领域扮演着重要的角色，广泛应用于发电、制冷、加热等领域。
热力学循环可以根据工作介质、工作原理等方面进行分类。
在本文中，我们将探讨几种常见的热力学循环分类及其工作原理。
一、卡诺循环卡诺循环是热力学循环中最为理想的循环，它由两个等温过程和两个绝热过程组成。
在卡诺循环中，工作介质通常是气体，如理想气体。
首先，气体在恒温高温热源中吸热，然后通过绝热膨胀过程将热能转化为机械能，接着在恒温低温热源中放热，最后通过绝热压缩将剩余的热能排出。
卡诺循环的工作原理是利用热能从高温区流向低温区的自发性，实现热能转化为机械能的目的。
二、斯特林循环斯特林循环是一种基于气体的热力学循环，它通过气体的等温膨胀和等温压缩过程来实现热能转化。
斯特林循环的工作原理是利用气体在不同温度下的体积变化，通过循环过程将热能转化为机械能。
在斯特林循环中，气体首先在高温热源中吸热膨胀，然后通过冷却过程将热能转移到低温热源中，最后再通过等温压缩过程将剩余的热能排出。
斯特林循环的独特之处在于它可以通过外部燃烧产生的热源或太阳能等可再生能源来驱动。
三、朗肯循环朗肯循环是一种常见的蒸汽动力循环，广泛应用于发电厂和工业领域。
在朗肯循环中，工作介质是水蒸汽。
循环的工作原理是通过蒸汽的膨胀和压缩过程来实现热能转化。
首先，水蒸汽在锅炉中受热产生高温高压蒸汽，然后通过膨胀机将蒸汽膨胀，将热能转化为机械能。
接着，蒸汽进入冷凝器中被冷却，变成液体状态，最后通过泵将液体压缩为高压蒸汽，重新进入锅炉循环。
四、布雷顿循环布雷顿循环是一种常见的燃气轮机循环，常用于发电厂和航空领域。
它的工作原理是通过燃气轮机和蒸汽轮机的组合来实现热能转化。
首先，燃气轮机通过燃烧燃料产生高温高压燃气，然后将燃气驱动轮叶转动，产生机械能。
接着，燃气进入余热锅炉中，产生蒸汽，再通过蒸汽轮机将蒸汽的热能转化为机械能。
热力学的热力学循环
热力学的热力学循环热力学是研究能量转化和传递规律的科学，而热力学循环则是基于热力学原理进行的能量转化循环过程。
本文将探讨热力学循环的基本原理、常见种类以及其在工程领域的应用。
一、热力学循环的基本原理热力学循环是指系统在经历一系列热、功交换后返回原始状态的过程。
根据热力学第一定律，能量守恒，系统通过吸收热量和做功的方式进行能量转化。
同时，根据热力学第二定律，能量转化的过程中，总是伴随着能量的损失，即熵的增加。
二、热力学循环的种类1. 卡诺循环卡诺循环是一种理想的热力学循环，由两个等温过程和两个绝热过程组成。
它具有最高效率，能够充分利用热量的能量。
卡诺循环在理论研究和工程应用中具有重要意义。
2. 斯特林循环斯特林循环是一种热力学循环，利用工质在等温和绝热过程中的性质变化来实现能量转化。
斯特林循环常用于制冷和发电领域，广泛应用于斯特林发动机和热泵中。
3. 布雷顿－卡车循环布雷顿－卡车循环是一种由冯·布雷顿和约翰·柯克斯卡特共同提出的热力学循环。
它是目前最常见的燃气轮机循环，也广泛应用于燃气轮机和蒸汽动力装置中。
三、热力学循环在工程领域的应用1. 热电联产系统热电联产系统通过将热能和机械能转化为电能和热能的组合循环来提高能源利用效率。
这种系统常用于工厂、建筑等能源密集型领域，既能满足电力需求，又能提供热能。
2. 蒸汽动力装置蒸汽动力装置利用燃料燃烧产生的热能驱动蒸汽机或蒸汽涡轮，进而产生功。
这种装置广泛应用于火力发电厂、核电站等领域，为电力供应提供了重要的支持。
3. 制冷系统制冷系统是利用热力学循环原理，通过吸收热量，将低温热量转移到高温环境，实现冷却目的的装置。
制冷系统广泛应用于空调、冷库、冷链等领域，为生活和工业生产提供了便利。
四、结语热力学循环是研究能量转化和传递的重要内容，具有广泛的理论和应用价值。
通过深入研究热力学循环的基本原理和常见种类，我们可以更好地理解和应用热力学的知识。
第二章热力学基本详解
B
C
1
T2 T1
W Q1
热机A’：任意不可逆循环，任意工质
A'
W' Q1
取Q1相等，以便比较
定理2：即A ' B
§2.8 多热源可逆循环
1. 热源多于两个的可逆循环
任意可逆循环，如左图之1H2L1。
T
H
•
•2 1•
L• s
吸热过程： 1H2，工质温度变化，为可逆，
需热源温度时时与工质相等，这样就 要有无限多个热源。
AMNB逆行： Q Q
BNMA T
AMNB T
上已导出：
Q
APQB T
Q
BNMA T
0
显然， δQ/T 是一个状态参数。 1865年，克劳修斯引入entropy
Q
APQB T
Q
AMNB T
与路径无关， 满足积分特性
T
δPQ1 Q
1923年，I.R. Plank来华讲学，东南大
B
胡刚复教授根据entropie的定义“热 A
Q2
两式相加，得： Q1 Q2 0
T1 T2
S1
S2 S
∵ Q已作正负号规定， Q1、 Q2可统一写成Q；
T1、 T2可为热源温度（=工质温度），可统一写成T
∴ Q 0
T
2、任意可逆循环的Q/T
T
δPQ1 Q
B
过作P、Q等熵线PM、QN，构 成微元可逆循环PQNMP
A N
MδQ2
S
当P→Q时， T P→TQ ， P-Q →等温过程。则PQNMP为微元
是循环净功之比，表示多热 源可逆循环接近同温限间卡诺循 环的程度。
卡诺定理的意义
第二章 热力学第二定律
第二章 热力学第二定律引 言一、热力学第一定律的局限性：凡是违背第一定律的过程一定不能实现，但是不违背第一定律的过程并不是都能自动实现的。
例如： 1．两块不同温度的铁相接触，究竟热从哪一块流向哪一块呢？按热力学第一定律，只要一块铁流出的热量等于另一块铁吸收的热量就可以了，但实际上，热必须温度从较高的一块流向温度较低的那块，最后两块温度相等，至于反过来的情况，热从较冷的一块流向热的一块，永远不会自动发生。
2．对于化学反应：以上化学反应计量方程告诉我们，在上述条件下，反应生成1mol NO 2，则放热57.0KJ,若1mol NO 2分解，吸热57.0KJ，均未违反热力学第一定律，但热力学第一定律不能告诉我们，在上述条件下的混合物中，究竟是发生NO 2的分解反应，还是NO 2的生成反应？假定是生成NO 2的反应能自动进行，那么进行到什么程度呢？这些就是过程进行的方向和限度问题，第一定律无法解决，要由第二定律解决。
二、热力学第二定律的研究对象及其意义：1．研究对象：在指定条件下，过程自发进行的方向和限度：当条件改变后，方向和限度有何变化。
2．意义：过程自发进行的方向和限度是生产和科研中所关心和要解决的重要问题。
例如：在化工及制药生产中，不断提出新工艺，或使用新材料，或合成新药品这一类的科学研究课题，有的为了综合利用，减少环境污染，有的为了改善劳动条件不使用剧毒药品，……等。
这些方法能否成功？也就是在指定条件下，所需要的化学反应能否自动进行？以及在什么条件下，能获得更多新产品的问题。
当然，我们可以进行各种实验来解决这一问题，但若能事先通过计算作出正确判断，就可以大大节省人力，物力。
理论计算认为某条件下根本不可能进行的反应，就不要在该条件下去进行实验了。
NO(g)+12O 2(g)2(g)KJH m r 0.57298..=∆KJ H m r 0.57298..-=∆NO(g)+12O 2(g)NO 2(g)§2–1 自发过程的共同特征一、自发过程举例：1．理想气体自由膨胀2．热量由高温物体传向低温物体3．锌投入硫酸铜溶液中发生置换反应：Zn + CnSO4→ Cu + ZnSO4二、自发过程的共同特征：由上述例子可以分析，所有自发变化是否可逆的问题，最终都可归结为“热能否全部转变为功而没有其他变化”这样一个问题。
内燃机原理第二章内燃机的工作循环
②工质比热变化 t
a. 理想循环工质的比热是不随温度变化的，
实际工质（空气和燃气的混合物）的比热随温度上升而上 升。
b. 理想的双原子气体（ O2 ，N2，空气等）比热比实际的多原 子燃气（CO2，H2O，SO2等）比热小。
c—z 为定压加入热量Q1Q1; z—b 为绝热膨胀；
b—a 为等容释放热量Q2。 定压加热过程的容积变化用初膨胀比
容循环。
Vz Vc
表示,其它同等
图2（a）为混合循环 a → c 为绝热压缩； c → z 为定容加入热量Q'1; y → z 为定压加热量Q''1; z → b 为绝热膨胀； b → a 为等容释放热量Q2。 由热力学知,混合循环
（5）当ε
： 相同时
>
t ,v
t ,vp
t,p
（6）当pz相同，Q1相同, ε 不相同时， t, p t,vp t,v
这是因pz不变时，等压循环的ε 最大，而等容循环的ε
最小之故。
2.2 涡轮增压内燃机的理想循环 在非增压的内燃机中，工质只膨胀到b点，然后由b点等容
放热至a点，损失了排气中的一部分热能，如果工质由Pz一直 膨胀到Pa ,即在b点后继续膨胀至 g 点，如图2－2所示，那么这 种循环，比无涡轮增压循环要来的完善，它在相同的加热条件 下，多获得一部分功（b—g），使 t 提高了。我们称这种循 环为继续膨胀循环。
理论上，定压涡轮的效率小于脉冲涡轮的效率。 在实际发动机中，因脉冲涡轮的效率较之定压涡轮的要低， 因此，当π k<2.5时，常采用脉冲涡轮增压，
热力循环原理
热力循环原理热力循环是一种基于热力学原理的工程循环过程，用于转化热能为机械能或其他形式的能量。
本文将介绍热力循环的原理、工作过程和相关应用。
一、热力循环原理概述热力循环是一种能量转化过程，利用工质在不同温度水平之间的膨胀和压缩来实现能量转移。
通过热力循环，从高温热源中吸收热量，经过工作介质的物理或化学变化，最终将一部分热量转化为机械能或其他形式的能量，然后将余热排放到低温环境中。
该过程可用一组相互作用的装置来实现，如压缩机、汽轮机、燃气轮机等。
热力循环的原理是基于卡诺循环的理论，在卡诺循环中，通过两个等温过程（热源温度Th和冷源温度Tc）和两个绝热过程构成一个理想循环。
该理论指出，能量从高温热源转移到低温环境时，系统获得的最大可利用功率由热机效率决定，热力循环的目标就是尽量接近这个理论上限。
二、热力循环的工作过程1. 接收热能：热力循环开始时，工质通过热交换器从高温热源中吸收热量。
2. 膨胀过程：吸热后的工质进入膨胀机（如涡轮机或活塞机），通过膨胀过程将热能转化为机械能。
3. 冷却：工质经过膨胀后，需要冷却回到低温状态。
这通常通过冷却器来实现，在冷却器中，工质与低温环境交换热量，使工质的温度下降。
4. 压缩过程：冷却后的工质由压缩机（如活塞压缩机或离心压缩机）进行压缩，使其恢复到原始状态，同时也给介质提供了一定的压力能。
5. 完成循环：经过压缩后的工质再次进入热交换器，循环开始重新吸收热能，并继续产生机械功。
三、热力循环的应用1. 蒸汽循环：蒸汽循环是一种常见的热力循环，广泛应用于火力发电厂。
其基本原理是将水加热为蒸汽，再通过蒸汽轮机将热能转化为机械能。
2. 燃气循环：燃气循环是利用燃气燃烧释放的热能驱动燃气涡轮机工作的循环过程。
燃气循环具有高效率和较低的排放特点，被广泛应用于燃气发电站和航空发动机等领域。
3. 制冷循环：制冷循环是通过机械能来提供制冷效果的热力循环，主要应用于制冷设备中，如家用冰箱、空调等。
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i 1
0 k 1[( 1) k ( 1)] V V ＝ 6 为初膨胀比； ＝ 7 为后膨胀比； V5 V6 p5 V3 V1 ＝ 为压力升高比； 1 为压气机的压缩比； 2＝ 为内燃机压缩比； V2 p4 V4
0＝ 1 2为增压内燃机总增压比 ；
2.2 内燃机的基本热力循环
2.2.1 空气标准循环 2.2.2 实际循环
2.2.1 空气标准循环
空气标准循环的条件：
循环中，工质为定量空气（视为理想气体），不考虑进、
排气过程，无工质交换。 燃烧过程用内燃机气缸外的热源加热。 循环结束依靠向外放热，保证气缸内空气温度、压力恢 复到初始状态。 压缩与膨胀过程均为可逆过程。
2.内燃机的热力循环
内燃机热力循环分析的重要性 2.2 内燃机的基本热力循环 2.3 内燃机的其他热力循环
2.1
2.1 内燃机热力循环分析的重要性
内燃机取代蒸汽机就是因为其具有高的热效率和结构紧凑。 100年来内燃机（特别是柴油机）的热效率提高了近2倍。 内燃机就是在对其工作过程和热力循环进行分析的基础上出现的。 内燃机的发展也是与热力循环的几次重大发展紧密联系在一起的。
diesel
1 k 1 1 k 1 rc k 1
双燃烧循环（Dual Combustion Cycle）
双燃烧循环由等熵压缩、等 容加热、等压加热、等熵膨 胀和等容放热组成。 现代柴油机接近双燃烧循环。 双燃烧循环热效率：
1 k 1 1 k 1 rc 1 k 1
空气标准循环
空气标准循环分类
卡诺循环（Carnot Cycle）
奥托循环（Otto Cycle） 笛赛尔循环（Diesel Cycle）
双燃烧循环（Dual Combustion Cycle）
卡诺循环（Carnot Cycle）
卡诺循环由等熵压缩①、等 温加热②、等熵膨胀③、和 等温放热④组成。 卡诺循环热效率：
carnot
T1 1 T2
奥托循环（Otto Cycle）
奥托循环由等熵压缩①、等 容加热②、等熵膨胀③和等 容放热④组成。 低速汽油机和高速柴油机十 分接近奥托循环。 奥托循环热效率：
otto 1
1 rck 1
实际发动机近似等容循环
p
柴油引燃天然气 的均质混合气压 燃着火过程
2.3 内燃机的其他热力循环
燃气轮机循环 阿特金森热力循环 涡轮增压循环 涡轮增压中冷内燃机热力循环 米勒热力循环
燃气轮机循环－布雷顿循环
燃气轮机的理想循环为布雷 顿循环（Brayton Cycle）
工质在压气机中等熵压缩1-2； 在燃烧室等压加热2-3；在 燃气轮机中等熵膨胀3-4和 等压排气4-1。 设c为压气机中气体的压力比， 则布雷顿循环的热效率为：
作功输出产生摩擦损失m。
典型的汽油机燃烧过程
汽油机燃烧过程可分为3个阶段：着火阶段I（着火 落后期）、急燃期II、和后燃期III。 a. 正常燃烧；b. 不正常燃烧
汽油机爆震燃烧
a. 正常燃烧；b. 轻微爆震；c. 严重爆震
爆震后活塞
爆震后活塞与正常活塞比较
典型的柴油机燃烧过程
柴油机燃烧过程可分为滞燃期I、急燃期II、补燃期 III和缓燃期IV。 a. 正常燃烧；b. 不正常燃烧
2.2.1 空气标准循环
分析热力循环用到的参数：
比re V3
p1 压力升高比rp p2
p3 T3 压力比 对于柴油机＝ 1 p2 T2
V3 T3' 体积比＝ ＝ ，对于汽油机 ＝ 1 V2 T3 热容比k cp cv
2.2.1
12 10 8 6 4 2 0 -2 0 200000 400000 600000 800000 1000000
Diesel, n=1400 Dual fuel, n=1400
V
狄赛尔循环（Diesel Cycle）
狄赛尔循环由等熵压缩、等 压加热、等熵膨胀和等容放 热组成。 早期及低速柴油机接近狄赛 尔循环。 狄赛尔循环热效率：
i 1 c
1k k
阿特金森热力循环（Atkinson Cycle）
阿特金森热力循环与奥托循 环区别在于排气过程为等压 而非等容。 在相同工质数量和加热量的 条件下，能发出较大的膨胀 功，因而热效率高。 阿特金森热力循环曾用于沙 金煤气机上。
涡轮增压内燃机热力循环
涡轮增压应用到内燃机上是 一项重大技术发展。
变压涡轮增压内燃机热力循环
与等压涡轮增压热力循环不同， 变压涡轮增压内燃机气体从状态 4进入变压涡轮中排气能量不会 由于排气管突然变粗而膨胀损失， 进入变压涡轮前气体压力在p4与 p4’之间变化。如不计气体流动摩 擦损失，气体在涡轮中的膨胀从 开始排气时的p4→p5到最后p1’ →p5。 内燃机的等容放热过程4→1可看 成为涡轮的等容加热过程1→4， 然后为气体在涡轮内的等熵膨胀 4→5。5→6为等压放热。6→1为 其他在压气机中的等熵压缩。
一般增压内燃机与高增压米勒循环内燃机对比
a
b
c
a. 一般增压循环；b. 较高增压米勒循环；c. 高增压米勒循环
结束语
理论循环是内燃机热力过程分析的一个有力
手段，为进一步提高内燃机性能提出理论途 径。 复杂的热力循环过程已使当今内燃机成为最 高燃料效率的热力机械。
0＝ 1 2为增压内燃机总增压比 ；
米勒循环（Miller Cycle）
米勒循环是1951年由米勒提出。 部分负荷时，调节配气定时，使 膨胀比大于压缩比。 米勒循环的优点：
相同压缩终了压力p2下允许达到
较高的平均有效压力pe。 指示热效率i高。 起动及低负荷时运转性能良好。 (a) 汽油机方式；(b)、(c)柴油机方式
增加进气充量，提高内燃机
涡轮增压内燃机热力循 环
等压涡轮增压内燃机热
的功率和热效率。 利用内燃机高温、高压排气 推动压气机作功，增加能量 利用率。
力循环。 变压涡轮增压内燃机热 力循环。
等压涡轮增压内燃机热力循环
等压涡轮增压内燃机热力循 环由12 3’ 3 4 1和燃气轮机循环7 1 5 6 7组成。 涡轮增压内燃机热力循环热 效率：
dual
循环比较
气缸最高压力相同。 示功图面积相同。
2.2.2 实际循环
实际循环与空气标准循环的 区别：
工质是变化的。 存在工质的交换，带来换气
损失open。 燃烧室不是绝热，存在着传 热损失ht。 加热不是在瞬间完成，加上 燃烧不完全、后燃，产生燃 烧（加热损失） time，b。
涡轮增压中冷内燃机热力循环循环
在压气机出口对进气进行冷 却，降低燃烧最高温度，减 少NOx排放。 增压中冷内燃机热力循环效 率：
k 1 k ( 1 k 1 1)(W 1) i 0 k 1[( 1) k ( 1)] V V V ＝ 6 为初膨胀比； ＝ 7 为后膨胀比； 2＝ 3 为内燃机压缩比； V5 V4 V6 p V V ＝ 5 为压力升高比； 1 1 为压气机的压缩比；W＝ 2 为中冷比； V2 p4 V3