4-5循环过程 热机解析
热机和循环过程的效率分析
热机和循环过程的效率分析热机是利用热量转化为功的装置，广泛应用于各个领域，如汽车发动机、电厂的蒸汽涡轮机等。
循环过程是热机运行的基本方式，包括循环过程中的各个步骤和所涉及的热与功的转化。
本文将对热机的效率以及循环过程的效率进行详细分析。
一、热机效率的定义和计算公式热机效率是衡量热机能量利用效率的重要指标。
热机的效率定义为输出的功与输入的热量之比，计算公式如下：η = W/QH其中，η代表热机效率，W表示输出的功，QH表示输入的热量。
热机效率的计算需要考虑热机循环过程中涉及到的各个步骤和热量的转化情况。
在实际运行中，由于能量转化过程中会存在能量损失，所以热机的效率一般小于1。
二、理想热机的效率理想热机是指在假设条件下完全没有能量损失的热机。
根据热力学的理论分析，理想热机的效率只取决于热源的温度差异，与具体的工作物质无关。
在热力学中，理想热机的效率可以通过卡诺热机的效率来进行计算。
卡诺热机是一种理想化的循环过程，由绝热过程和可逆等温过程组成。
卡诺热机的效率只与热源的温度有关，计算公式如下：ηC = 1 - TL/TH其中，ηC代表卡诺热机的效率，TL表示低温热源的温度，TH 表示高温热源的温度。
三、热机实际效率与卡诺热机的关系热机实际效率是指在实际运行中考虑了能量损失的情况下的效率。
与理想热机不同，热机实际效率与工作物质的特性、循环过程的细节都有关系。
热机实际效率与卡诺热机的效率之间存在一定的关系。
根据卡诺定理，不管工作物质的种类如何，任何一台工作在相同高温和低温热源下的热机的效率都不会超过卡诺热机的效率。
这是因为卡诺热机是一种完全无损耗的理想化循环过程，所以其效率是热机能够达到的上限。
实际工程中的热机效率一般不会达到卡诺热机的效率。
这是因为在热机的循环过程中会涉及到各种能量损失，如机械摩擦、热量散失等。
为了提高热机的效率，需要通过改进设计和运用高效的工作物质等手段。
四、循环过程的效率循环过程的效率是指在热机循环过程中能量转化的效率。
热力学循环中的热机效率分析
热力学循环中的热机效率分析热力学循环是探讨能量转化过程的重要研究领域，其中热机效率是评估热力学循环性能的重要指标。
本文将从热力学的角度，深入分析热机效率的定义、计算方法和提高途径。
一、热机效率定义热机效率是指能量从低温热源传递到高温热源时，热机所能实现的能量转化效率。
它的定义可以用下式表示：η = 1 - Qc / Qh其中，η表示热机效率，Qc表示热机从高温热源吸收的热量，Qh表示热机向低温热源放出的热量。
熵增原理表明，热量会自发地从高温物体传递到低温物体，因此Qc小于0，Qh大于0，所以热机效率永远小于等于1。
二、热机效率计算方法根据热力学循环的特性，可以通过多种方法计算热机效率。
最常用的方法是根据热机的工作物质和循环过程，采用Carnot循环效率进行计算。
Carnot循环是一个理想化的循环过程，由绝热过程和等温过程组成。
根据热力学第一定律和热力学第二定律，Carnot循环效率可以表示为：ηCarnot = 1 - Tc / Th其中，Tc表示绝热过程的冷端温度，Th表示等温过程的热端温度。
Carnot循环效率是任何热力学循环所能达到的最大效率，而实际循环则往往小于Carnot循环效率。
三、热机效率的提高途径提高热机效率是研究热力学循环中的重要问题，这对于能源利用和环境保护都具有重要意义。
以下列举几种提高热机效率的途径：1. 提高工作物质的特性：优化工作物质的热力学性能，比如选择高热导率、低粘度和低熵增等特性的物质，可以提高热机效率。
2. 优化循环过程：通过合理设计循环过程，减小机械损失和热损失，提高工作物质的有效功率输出，进而提高热机效率。
例如，可以增加压缩机和涡轮机的效率，减小传热和传质过程中的熵增。
3. 提高工作温差：热机效率与热源温度差成反比，因此提高热源温度差可以有效提高热机效率。
有多种方法可以实现这一目标，例如采用多级循环、采用高效传热装置等。
4. 应用废热利用技术：利用废热进行能量回收，提高工作物质的平均温度，从而提高热机效率。
4-5循环过程 热机
Q Q2
'
e 1 ' e 1 7 Q 2.2 10 J Q1 Q2 e e
保持冰箱在 5 C 至20 C 之间运转, 每天需作功
A Q1 Q2 Q1 Q ' 0.2 107 J
A 0.2 107 P W 23W t 24 3600
T1 1 V 1 0 T1V 2V0 T T2 V
1
p
34为绝热膨胀过程
T4 1 V0 1 T3V0 4V T T3 V
1
T4 T1 T3 T2
3 Q1 绝热 4 Q2 2
o
绝热
V0
1
V
V
V ( 1) V0 ( 1) T4 T1 1 ( ) 1 ( ) 1 V0 T3 T2 V V －－体积压缩比 54% 实际只有25% V0 15
M CV ,m (T4 T1 ) Q2 Q41 CV ,m (T1 T4 ) M mol M mol T4 T1 Q2 1 循环效率 1 T3 T2 Q1
第四章 热学基础 14
14
41为等容放热过 程 M
o
绝热
V0
1
V
V
12为绝热压缩过程 TV 1 C
D — A 绝热过程
V1 T1 V4 T2
1
1
第四章 热学基础 9
9
p p1
p2 p4
A
T1 T2
Qab
T1
D B
V2 V3 V1 V4
卡诺热机效率
A
C
p3
o V1 V4
Qcd T2
工程热力学-5-热力循环与热工设备简介
10
进气冲程
活塞被曲轴带动由上止点向下 上止点移动。 进气门开启，排气门关闭。 活塞上方的容积增大，气缸内 的气体压力下降，形成一定的 真空度。 由于进气门开启，气缸与进气 管相通，混合气被吸入气缸。 当活塞移动到下止点时，气缸 内充满了新鲜混合气以及上一 个工作循环未排出的废气。
7
内燃机的基本构造
气缸体 活塞 连杆 曲轴 飞轮 配气机构 进、排气阀 凸轮轴 火花塞
8
第5章 热力循环与热工设备简介
5-1 内燃机的特点及类型 5-2 内燃机的基本构造 5-3 内燃机的工作过程与原理 5-4 内燃机的理想循环
9
内燃机的工作原理
四冲程汽油机的工作过程是一个复杂的过程，它 由进气、压缩、膨胀、排气四个冲程组成。
表示定压加热时工质体积膨胀的程度。
20
混合加热循环热效率
单位质量工质的吸热量：
q1 cv T3 T2 cp T4 T3
单位质量工质的放热量：
q2 cv T5 T1 wnet q1 q2 q2 1 循环热效率：t q1 q1 q1 T5 T1 1 T3 T2 T4 T3
压燃式内燃机压燃式内燃机点燃式内燃机点燃式内燃机77554内燃机的理想循环内燃机的理想循环553内燃机的工作过程与原理内燃机的工作过程与原理551内燃机的特点及类型内燃机的特点及类型552内燃机的基本构造内燃机的基本构造热力循环与热工设备简介88内燃机的基本构造气缸体气缸体活塞活塞连杆连杆曲轴曲轴飞轮飞轮配气机构配气机构进排气阀进排气阀凸轮轴凸轮轴火花塞火花塞99554内燃机的理想循环内燃机的理想循环553内燃机的工作过程与原理内燃机的工作过程与原理551内燃机的特点及类型内燃机的特点及类型552内燃机的基本构造内燃机的基本构造热力循环与热工设备简介1010内燃机的工作原理四冲程汽油机的工作过程是一个复杂的过程它四冲程汽油机的工作过程是一个复杂的过程它进气压缩压缩膨膨胀胀排气排气四个冲程组成
Chap4-5
Q2 T2 S3 S2 循环放热量 循环吸热量 Q0 T1 S1 S 4 循环的ΔH = 0，故循环所做的功净功为
WN
Q (Q
0
Q2 ) T2 T1 S2 S3 T2 T1 S1 S4
WN 0
蒸汽动力循环：用蒸汽将热转化为功的循环
一、卡诺循环：
卡诺循环是热功转化效率最高的循环。 卡诺热机。整个循环为四个步骤：压缩、吸热、膨胀、 放热。蒸汽动力循环是将热能转化为功。最早的提出效率 最高的是卡诺循环。
T—S图对卡诺循环应用：整个卡诺循环由两个等温过 程和两个等熵过程组成，而且每一过程均为可逆。
蒸发器臵于低温系统，冷凝器防止高温环境，利用制冷机的相 变化来实现低温吸热和高温放热。
1-2： 绝热可逆压缩, 从T1升温至T2，制冷剂等熵压缩，消耗 外功； 2-3： 等温可逆放热，制冷剂在温度T2下等温放热； 3-4： 绝热可逆膨胀，从T2降温至T1，制冷剂等熵膨胀，对外 作功。 4-1； 等温可逆吸热，制冷剂在T1下等温吸热，最后回到初始 状态1. 逆卡诺循环中，功和热的关系和正向循环一样,不过符号相反， 净功和净热符号都是负的。
W
它的意义在于：提供了一个实际热机与之比较的最高标准。
二、朗肯循环：（朗肯蒸汽动力循环的简称）
图4-16 理想的Rankine循环及其在T-S图上的表示
1、高温吸热：1 4
Q1 H H 4 H1
2、膨胀做功： 过热蒸汽在透平中可逆绝热膨胀至冷凝压力，即等熵过程。 要求： 温蒸汽干度 90% 膨胀过程所做轴功：
q0 H1 H 4 H1 H 3 WS H 2 H 1 H 2 H 1
大学物理(13.4.1)--循环过程
一、循环过程的定义及其特点1．定义：工作物质的状态经过一系列变化过程后，又回到原来状态的过程称为热力学系统的循环过程，简称循环。
2．特点：1）系统的内能没有变化 0=∆E 2）如果组成某一循环的各个过程都是准静态过程，则此循环过程可以用P —V 图上的一条闭合曲线来表示。
系统完成一个循环所做的净功等于P —V 图上循环过程曲线所围的面积。
二、循环过程的分类及其应用1．正循环：在P —V 图上按顺时针方向进行的循环过程。
热机：工作物质作正循环的机器。
1）工作原理：从高温热源吸收热量Q 1，一部分用来对外做功W ，一部分向低温热源放出热量Q 2（在计算中取正值）。
2）循环的效率：1211 Q Q Q W －＝＝η吸收同样多的热量，对外界作的功越多，表明热机把热量转化为有用功的本领越大，效率就越高。
2．逆循环：在P—V 图上按逆时针方向进行的循环过程致冷机：工作物质作逆循环的机器。
1）工作原理：从低温热源吸收热量Q 2，外界做功W ，向高温热源放出热量Q 1。
2）制冷系数：2122Q Q Q W Q e －＝＝三、卡诺循环1．卡诺循环1）定义：卡诺循环：两个等温过程和两个绝热过程组成的循环。
2）分类正循环——卡诺热机逆循环——卡诺制冷机2．卡诺热机的效率1）卡诺热机的四个过程中功、内能增量和热量（1）AB:等温膨胀过程，内能变化为零，吸收的热量全部用来对外做功12111ln V V RT M m Q W == （1）（2）BC 绝热膨胀过程：系统不吸收热量，对外所作的功等于系统减少的内能 )(21,2T T C Mm E W m V -=∆-= （2）（3）CD 等温压缩过程：内能变化为零，外界对系统做功等于向低温热源放出的热量 34223ln V V RT M m Q W ==-－ （3）（4）DA 绝热压缩过程：系统不吸收热量，外界对系统做功等于系统增加的内能 )(21,4T T C Mm E W m V -=∆=－ （4）把以上四式左、右两边相加得系统对外界所作的净功为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=432121ln ln V V T V V T R M m W －总的内能变化 0＝E ∆从高温热源吸收的热量1211ln V V RT M m Q =向低温热源放出的热量4322ln V V RT M m Q =2）卡诺热机的效率由热机效率定义： 121432121ln ln11V V T V V T Q Q Q W -=-==η应用绝热方程const T V =-1γ得BC 过程 213112T V T V --=γγDA 过程 214111T V T V --=γγ两式相除得4312V V V V = 因而 121 T T －＝η——仅适宜卡诺热机3）说明：（1）要完成一个卡诺循环必须有个热源。
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。
中考复习热机知识点总结
中考复习热机知识点总结热机是一种能量转换设备，它将热能转化为机械能。
热机的运行原理和性能特征是物理学和工程学的重要研究内容，在中等学校的物理课程中也有所涉及。
下面，我们将对热机的知识点进行总结，以帮助同学们更好地复习和掌握相关知识。
1. 热力学循环热力学循环是热机运行的基础。
它是指热机工作物质在一定序列下的变化过程，这一过程可以描述为系统状态的一系列变化。
热力学循环有很多种类，包括卡诺循环、斯特林循环、布雷顿循环等。
这些循环在不同条件下能够实现不同的热机效率和工作特性，通过对不同循环过程的分析，可以揭示热机的性能特点。
2. 卡诺循环卡诺循环是理想热机的模型，它的热机效率是所有可能热机中最大的。
卡诺循环由等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩和绝热压缩四个过程组成，这些过程分别对应于热机的工作状态。
卡诺循环的热机效率只依赖于工作物质的两个绝对温度，这一特性决定了卡诺循环是理论上最理想的热机。
3. 热机效率热机效率是热机性能的一个重要指标，它指的是热机输出的功与输入的热量之比。
在实际热机中，由于不可避免的摩擦、传热损失等原因，热机效率往往小于卡诺循环的理论值。
通过改进设计、提高工作条件等方式，可以提高热机效率，使其更加接近理论极限。
4. 热机的应用热机广泛应用于能源生产和利用领域。
蒸汽轮机是目前最常见的热机设备，它通过燃烧燃料，产生高温高压蒸汽，驱动轮机实现功的输出。
除此之外，内燃机、燃气轮机等也是热机的典型应用。
这些设备在发电厂、船舶、飞机、汽车等领域得到广泛应用，成为现代工业生产的重要动力来源。
5. 热机的环境影响热机的运行不仅能够提供动力，还会产生废热和废气等环境影响。
大量的废热排放不仅浪费了能源，还会对环境造成一定的污染。
为了减少这些负面影响，人们提出了各种节能减排的技术和措施，如余热利用、低排放燃烧技术等，以提高热机的能效和环保性能。
6. 热机的发展趋势随着能源需求不断增长和环境问题愈发严重，热机技术也在不断发展和变革。
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1
p
34为绝热膨胀过程
T4 1 V0 1 V0 T3 T4V T3 V
1
T4 T1 T3 T2
3 Q1 绝热 4 Q2 2
o
绝热
V0
1
V
V
V ( 1) V0 ( 1) T4 T1 1 ( ) 1 ( ) 1 V0 T3 T2 V V －－体积压缩比 54 % 实际只有25% V0 15
2
二 热机 ：持续地将热量转变为功的机器。
p
1
A0
2
o
V
工作物质：在热机中被利用来吸收热量并对外 做功的物质叫工作物质，简称为工质。
第四章 热学基础 3
3
蒸 气 机 的 工 作 示 意 图
热机效率
A Q
第四章 热学基础
4
p
热机效率如何计算？
1）分成多个等值的分过程
Q1 Qi 2）
i
(Qi 0)
o
Q2 3）
Q
j
j
(Q j 0)
A Q1 Q2 Q2 1 4） Q1 Q1 Q1
第四章 热学基础 5
5
卡诺(1800-1836) 法国青 年工程师,是热力学的创 始人之一。 他用“理想实 验”的思维方法，创造了 一部理想的热机--卡诺热 机。
6
第四章 热学基础 6
V3 ln Q2 T2 V4 1 1 Q1 T1 ln V2 V1
讨 论：
1） 卡 仅决定于
2）卡 1 ;
T2 卡 1 T1
T1、 T2 ；
T2 卡 ； 3） T1 、
4）当
T1 T2
时， 卡
0
。
第四章 热学基础 11
11
1 ? 2
常见热机的效率
柴油机
37%
汽油机 蒸汽机
25%
8%
第四章 热学基础 16
16
1 mol 氦气经过如图所示的循环过程，其 中 p2 2 p1 V , 4 2V1 求1—2、2—3、3—4、 4—1各过程中气体吸收的热量和热机的效率 .
例
p2 p1
P
2
Q23
解 由理想气体物态方程得
p
T2
A1
A1 A2
p
T2
A1
T1
T1
A1 A2
A2
V
A2
T1
o
1 2
o
1 2
V
12
第四章 热学基础 12
奥 托 循 环
第四章 热学基础13
13
求：奥托循环效率。
解：
p
23为等容吸热过程
M Q1 Q23 CV ,m (T3 T2 ) M mol
3 Q1 绝热 4 Q2 2
§4.3 循环过程 卡诺循环
一 循环过程
定义：系统经过一系列状态变化过程后，又回到原
来状态的过程叫热力学循环过程，简称循环 .
P
1 A0
p
1
P
1
A0
2
2
o
正循环
2
V
oV
o
V 逆循环
循环过程的特点：
(1)经过一个循环，
E ; 0
(2)循环曲线为闭合曲线；
(3)
A S闭合曲线
。
第四章 热学基础 2
M CV ,m (T4 T1 ) Q2 Q41 CV ,m (T1 T4 ) M mol M mol T 4 T1 Q2 1 循环效率 1 T3 T2 Q1
第四章 热学基础 14
14
41为等容放热过 程 M
o
绝热
V0
1
V
V
12为绝热压缩过程 TV 1 C
A ( p2 p1)(V 4 V 1) p1V 1 RT 1 RT Q Q 1 W 1 2 15.3% Q1 Q1 T1 (3CV ,m 2R)
第四章 热学基础 18
18
4 －5
循环过程 思考 例
热机 下列四个假想的循环过程，哪个可行？
p （ A）
O
等温
V2 1T1 V3 1T2
V1 T1 V4 T2
1 1
D — A 绝热过程
第四章 热学基础 9
9
p p1
p2 p4
A
Qab
T1
D
T1 T2
B
V2 V3 V1 V4
卡诺热机效率
A
C
p3
o V1 V4
Qcd T2
V2
V
V3
T2 1 T1
卡诺热机效率与工作 物质无关，只与两个热源 的温度有关，两热源的温 差越大，则卡诺循环的效 率越高 . 10 第四章 热学基础 10
p2 p4
A
Qab
T1
D
T1 T2
B
Q1
V M RT1 ln 2 M mol V1
C — D 等温压缩放热
Q2 Qcd
C
W
p3
o V1 V4
V M RT2 ln 3 M mol V4
Qcd T2
V2
V
V3
ห้องสมุดไป่ตู้
B — C 绝热过程
V3 ln Q2 T2 V4 1 1 Q1 T1 ln V2 V1
3
Q12
1
Q34
Q41
4
T2 2T1 T3 4T1
T4 2T1
Q12 CV ,m (T2 T1 ) CV ,mT1
Q23 C p,m (T3 T2 ) 2C p,mT1
17
o
V1
V4 V
Q34 CV ,m (T4 T3 ) 2CV ,mT1
p2 p1
p p1
p2 p4
A
Qab
T1
D
T1 T2
B
卡诺循环
A — B 等温膨胀
A
C
B — C 绝热膨胀
p3
o V1 V4
Qcd T2
V2
V
V3
C — D 等温压缩 D — A 绝热压缩
Q1 Qab V M RT1 ln 2 M mol V1
A — B 等温膨胀吸热
第四章 热学基础 8
8
p p1
绝热
p （ C）
绝热 绝热
V
绝热 等温
O
V
等温 绝热 绝热
p （B）
O
p
（ D）
V
三 卡诺循环
卡诺循环是由两个准静态等温过程和两个准静态绝 热过程组成。 p A 高温热源 T T 1 2 p1 T 1 Q 1 Q
p2 p4
1T 1
B C
p3
D
A Q2
T2
V2
Q2
V
A
o V1 V4
V3
低温热源 T2 热学基础 7
7
Q2 卡诺热机效率 卡 1 Q第四章 1
理想气体卡诺循环热机效率的计算
P
2
Q23
Q12 CV ,mT1 Q23 2C p,mT1
3
Q12
1
Q34
Q41
4
Q34 2CV ,mT1
Q41 C p,m (T1 T4 ) C p,mT1
o
V1
V4 V
Q1 Q12 Q23 CV ,mT1 2C p ,mT1
C p ,m CV ,m R