循环过程 卡诺循环..
7.5循环过程 卡诺循环
有摩擦存在的卡诺循环叫作不可逆卡诺循 环，相应的热机叫不可逆卡诺热机，它的效 率低于可逆卡诺热机的效率。关于这一点的 详细分析，见下一节的内容。 卡诺循环为提高热机效率指明了方向。通 过提高高温热源或降低低温热源的温度都可 以提高热机的效率，实际应用中总是采取前 者，这是因为热机大多是以外界环境作为低 温热源的，而要想降低整个外界环境的温度 是得不偿失的！
Q2 Q2 A Q1 Q2
3. 能流图 制冷循环也可使用能流图表示。
高温热源
A
工质
Q1 A Q2
Q2
低温热源
4. 热泵 制冷机也可以用来达到升温的目的。例如 我们家中的空调器。夏季，将室内作为低温 热源使用，可以达到致冷的效果；冬季，将 室内作为高温热源使用，又可以达到供热的 效果。以此原理设计的制冷机叫热泵。
T1V1
1
T2V4
1
V2 V3 V1 V4
Q2 T2 1 1 Q1 T1
要特别注意，在上述卡诺循环中，我们没 有考虑循环过程中存在摩擦的情况。无摩擦 准静态卡诺循环又被称作可逆卡诺循环，相 应的热机叫可逆卡诺热机。
可逆卡诺循环的效率只由两个单一热源的 温度决定，与工质无关。
V1 V4 V2 V3
c V
O
2. 可逆卡诺循环的效率
V2 Q1 RT1 ln V1
V3 Q2 RT2 ln V4
T2 ln( V3 / V4 ) Q2 1 1 Q1 T1 ln( V2 / V1 )
对 b → c 、d → a 两过程使用绝热过程方 程，则有：
T1V2 1 T2V3 1
A Q2 1 Q1 Q1
3. 能流图 经常使用能流图来直观反映热机工作时的 能量转换关系。
卡诺循环的四个过程公式
卡诺循环的四个过程公式卡诺循环是一种理想热机循环，以理论上最高效率进行工作。
它由两个等温过程和两个绝热过程组成，以下将详细介绍卡诺循环的四个过程公式。
一、等温膨胀过程公式在卡诺循环中的第一个过程是等温膨胀过程。
在这个过程中，工作物质与高温热源接触并吸收热量，同时保持温度不变。
根据热力学定律，等温膨胀过程的功率和热量之间的关系可以用以下公式表示：Q1 = W12其中，Q1是从高温热源吸收到的热量，W12是在等温膨胀过程中由该热量产生的功。
二、绝热膨胀过程公式在卡诺循环中的第二个过程是绝热膨胀过程。
在这个过程中，工作物质与绝热墙隔离，不受外界热量交换的影响，但可以对外做功。
根据绝热过程的能量守恒定律，绝热膨胀过程的功率和初始末态温度之间的关系可以用以下公式表示：T2 * S2 = T1 * S1其中，T1是等温膨胀过程初始的温度，T2是绝热膨胀过程末态的温度，S1和S2分别是初始和末态时的熵。
三、等温压缩过程公式在卡诺循环中的第三个过程是等温压缩过程。
在这个过程中，工作物质与低温热源接触并释放热量，同时保持温度不变。
根据热力学定律，等温压缩过程的功率和热量之间的关系可以用以下公式表示：Q2 = W34其中，Q2是向低温热源释放的热量，W34是在等温压缩过程中由该热量产生的功。
四、绝热压缩过程公式在卡诺循环中的第四个过程是绝热压缩过程。
在这个过程中，工作物质与绝热墙隔离，不受外界热量交换的影响，但可以对外做功。
根据绝热过程的能量守恒定律，绝热压缩过程的功率和初始末态温度之间的关系可以用以下公式表示：T4 * S4 = T3 * S3其中，T3是等温压缩过程初始的温度，T4是绝热压缩过程末态的温度，S3和S4分别是初始和末态时的熵。
综上所述，卡诺循环的四个过程（等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩）在热力学定律和绝热过程能量守恒定律的基础上，可以用一系列公式来表示各个过程中的功率和热量之间的关系。
这些公式提供了研究和分析卡诺循环的重要工具，帮助我们理解和应用卡诺循环的原理和性质。
物理学教学课件83循环过程和卡诺循环
卡诺热机效率的计算公式揭示了热机效率的极限，即任何实际热机的效 率都无法超过卡诺热机的效率。
提高热机效率的途径
提高热源的温度
热源温度越高，热机从热源吸收的热量就越 多，从而提高热机效率。
改进热机的结构
优化热机的设计，减少内部摩擦和热量损失， 可以提高热机效率。
降低冷源的温度
冷源温度越低，热机向冷源排放的热量就越 少，从而提高热机效率。
采用高性能的工作物质
选择具有高比热容、低导热系数等优良性能 的工作物质，可以提高热机效率。
PART 06
制冷机与卡诺循环
制冷机的原理
逆卡诺循环
制冷机的工作原理基于逆卡诺循环， 该循环通过消耗外部功，将热量从低 温热源（被冷却物体）传递到高温热 源（环境），实现制冷效果。
膨胀过程
制冷剂液体通过膨胀阀进入蒸 发器，压力和温度降低，重新
开始新的循环。
制冷机的性能系数
1 2
制冷量
单位时间内制冷机从低温热源吸收的热量。
输入功率 制冷机运行时消耗的外部功。
3
性能系数（COP） 制冷量与输入功率之比，用于评价制冷机的效率。 COP值越大，制冷机的效率越高。
PART 07
总结与展望
循环过程的特点
循环过程具有周期性，即系统会 不断地重复经过相同的状态和过
程。
在循环过程中，系统的总能量保 持不变，但能量的形式（如热能、
机械能等）可以相互转换。
循环过程的效率和性能可以用热 力学第二定律和相关的热力学参
数来描述和评估。
PART 04
卡诺循环
卡诺循环的定义
卡诺循环的四个过程公式
卡诺循环的四个过程公式卡诺循环是热机中最理想的循环之一，它由四个过程组成，分别是绝热压缩、等温膨胀、绝热膨胀和等温压缩。
在这篇文章中，我们将详细介绍卡诺循环的四个过程公式，并对每个公式进行解释和应用。
1. 绝热压缩过程公式绝热压缩过程是卡诺循环中的第一个过程，此时气体被绝热墙隔离，并通过外界对其进行压缩，使其体积减小。
绝热压缩过程的公式如下：$$PV^γ = 常数$$其中，P代表气体的压力，V代表气体的体积，γ代表绝热指数或比热容比。
绝热指数是气体的性质参数，取决于气体的分子构成和结构，对于理想气体，γ为常数，通常取1.4。
2. 等温膨胀过程公式等温膨胀过程是卡诺循环的第二个过程，此时气体与热源接触，通过吸热使其膨胀。
等温膨胀过程的公式如下：$$PV = 常数$$在等温膨胀过程中，气体的压力和体积成反比，即当压力增加时，体积减小，反之亦成立。
由于与热源保持等温接触，气体内能的增加和外界对气体所做的功在这个过程中相互平衡。
3. 绝热膨胀过程公式绝热膨胀过程是卡诺循环的第三个过程，此时气体再次与绝热墙隔离，并通过外界膨胀，使其体积增大。
绝热膨胀过程的公式与绝热压缩过程相同：$$PV^γ = 常数$$在绝热膨胀过程中，气体的压力和体积呈指数关系，即当压力增加时，体积也随之增加，反之亦成立。
4. 等温压缩过程公式等温压缩过程是卡诺循环的第四个过程，此时气体再次与热源接触，通过放热使其压缩。
等温压缩过程的公式与等温膨胀过程相同：$$PV = 常数$$在等温压缩过程中，气体的压力和体积成正比，即当压力增加时，体积也随之减小，反之亦成立。
由于与热源保持等温接触，气体内能的减少和外界对气体所做的功在这个过程中相互平衡。
总结卡诺循环的四个过程公式分别是绝热压缩过程公式($PV^γ = 常数$)，等温膨胀过程公式 ($PV = 常数$)，绝热膨胀过程公式($PV^γ = 常数$)和等温压缩过程公式 ($PV = 常数$)。
卡诺循环的四个过程公式
卡诺循环的四个过程公式卡诺循环是热力学领域的一个重要概念，用于描述热机的理论效率。
卡诺循环包含四个过程，分别是绝热膨胀、等温膨胀、绝热压缩和等温压缩。
在这篇文章中，我们将探讨这四个过程，并提供相应的数学公式来描述它们。
1. 绝热膨胀在卡诺循环的第一个过程中，气体在绝热条件下进行膨胀。
在绝热膨胀过程中，热机从外部不接触任何热源或热池，也没有热量传递给外部环境。
这意味着绝热膨胀过程中没有热量转移，只有功对外界做功。
绝热膨胀的过程可以用以下公式表示：\[ Q = 0 \]其中，Q表示热量转移。
2. 等温膨胀在卡诺循环的第二个过程中，气体在恒定温度下进行膨胀，也称为等温过程。
在等温膨胀过程中，气体与外界保持热平衡，温度不变，从高温热源吸热并对外界做功。
等温膨胀的过程可以用以下公式表示：\[ \frac{Q}{T_H} = -W \]其中，Q表示从高温热源吸收的热量，TH表示高温热源的温度，W表示对外界做的功。
3. 绝热压缩在卡诺循环的第三个过程中，气体在绝热条件下进行压缩。
在绝热压缩过程中，热机从外部不接触任何热源或热池，也没有热量传递给外部环境。
这意味着绝热压缩过程中没有热量转移，只有外界对热机做功。
绝热压缩的过程可以用以下公式表示：\[ Q = 0 \]其中，Q表示热量转移。
4. 等温压缩在卡诺循环的第四个过程中，气体在恒定温度下进行压缩，也称为等温过程。
在等温压缩过程中，气体与外界保持热平衡，温度不变，将热量传递给低温热源。
等温压缩的过程可以用以下公式表示：\[ \frac{Q}{T_L} = W \]其中，Q表示向低温热源释放的热量，TL表示低温热源的温度，W 表示对热机做的功。
综上所述，卡诺循环的四个过程公式为绝热膨胀过程中的\(Q=0\)，等温膨胀过程中的\(\frac{Q}{T_H}=-W\)，绝热压缩过程中的\(Q=0\)，等温压缩过程中的\(\frac{Q}{T_L}=W\)。
这些公式描述了卡诺循环中各个过程中的热量转移和对外界的功，是热力学研究中的重要工具。
卡诺循环的四个过程公式
卡诺循环的四个过程公式卡诺循环是热力学中一个重要的循环过程，用来描述热机的理想工作原理。
它由四个过程组成，分别是绝热膨胀、等温膨胀、绝热压缩和等温压缩。
下面将详细介绍卡诺循环的四个过程和相应的公式。
1. 绝热膨胀（ADIABATIC EXPANSION）绝热膨胀过程是指在不与外界交换热量的情况下，系统从高温状况下膨胀至低温状态。
这一过程中系统不进行热传导和热交换，只进行功的转换。
根据理想气体状态方程PV^γ = 常数（γ为比热容比），绝热过程的理想气体功公式为：W_ad = (P_1V_1 - P_2V_2)/(γ - 1)其中， W_ad 表示绝热过程所做的功, P_1 和 V_1 表示初始状态下的压力和体积，P_2 和 V_2 表示终态下的压力和体积。
2. 等温膨胀（ISOCHORIC EXPANSION）等温膨胀过程是指在恒温条件下，系统从高温状态膨胀至低温状态。
这一过程中系统与外界交换热量，但不进行功的转换。
根据理想气体状态方程 PV = nRT，等温过程中热量 Q 的转移公式为：Q = nRΔTln(V_2/V_1)其中， Q 表示等温过程中的热量转移量， n 表示气体的摩尔数， R 表示理想气体常数，ΔT 表示温度差， V_1 和 V_2 表示初始状态下的体积和终态下的体积。
3. 绝热压缩（ADIABATIC COMPRESSION）绝热压缩过程是指在不与外界交换热量的情况下，系统从低温状态进行压缩至高温状态。
与绝热膨胀相似，绝热压缩过程中也不进行热传导和热交换，只进行功的转换。
绝热过程的理想气体功公式与绝热膨胀过程相同。
W_ad = (P_2V_2 - P_1V_1)/(γ - 1)其中， W_ad 表示绝热过程所做的功, P_1 和 V_1 表示初始状态下的压力和体积，P_2 和 V_2 表示终态下的压力和体积。
4. 等温压缩（ISOCHORIC COMPRESSION）等温压缩过程是指在恒温条件下，系统从低温状态压缩至高温状态。
卡诺循环的四个过程公式
卡诺循环的四个过程公式卡诺循环是理想热力循环的一种，可以最大程度地利用热能转化为功。
它由四个过程组成：绝热压缩、等温热量吸收、绝热膨胀和等温热量放出。
下面将分别介绍这四个过程的公式。
1. 绝热压缩过程公式:在卡诺循环的绝热压缩过程中，热机工质从高温热源吸收的热量全部被转化为内能增加，而体积减小。
根据绝热过程的定律，可以得到绝热压缩过程的公式：$$PV^γ = 常数$$其中，P表示压力，V表示体积，γ表示绝热指数，是热机工质的绝热过程特性之一，它与工质的性质有关。
2. 等温热量吸收过程公式:在卡诺循环的等温热量吸收过程中，热机工质从高温热源吸收热量，同时保持温度不变。
根据热力学理论，等温过程的状态方程为：$$PV = 常数$$其中，P表示压力，V表示体积。
在等温过程中，工质的内能增加，但体积保持不变。
3. 绝热膨胀过程公式:在卡诺循环的绝热膨胀过程中，热机工质从低温热源吸收的热量全部被转化为对外做功，同时体积增大。
根据绝热过程的定律，可以得到绝热膨胀过程的公式：$$PV^γ = 常数$$其中，P表示压力，V表示体积，γ表示绝热指数，绝热过程下其值仍为一定常数。
4. 等温热量放出过程公式:在卡诺循环的等温热量放出过程中，热机工质向低温热源放出热量，同时保持温度不变。
根据热力学理论，等温过程的状态方程为：$$PV = 常数$$其中，P表示压力，V表示体积。
在等温过程中，工质的内能减少，但体积保持不变。
通过对这四个过程的描述和公式的介绍，我们可以看出卡诺循环是一个高效利用热量转化为功的理想循环。
通过合理地设计和选择工质，在实际应用中可以提高能源的利用效率。
然而，实际情况下存在着各种能量损失和循环效率的限制，因此在实际应用中，需要综合考虑热机工质的性质和工作条件，进行系统的优化设计。
综上所述，卡诺循环的四个过程分别是绝热压缩、等温热量吸收、绝热膨胀和等温热量放出。
通过相应的公式，我们可以描述和计算这些过程中的物理量。
卡诺循环的四个过程公式
卡诺循环的四个过程公式卡诺循环是热力学中的一个理想循环模型，用来描述热机的性能。
它由四个过程组成，分别是等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩和绝热压缩。
每个过程都有对应的公式，下面将逐一介绍。
1. 等温膨胀过程等温膨胀是指在热机中，工作物质与热源保持恒温接触的过程。
根据理想气体状态方程，等温膨胀的关系式为：PV = 常数。
其中，P表示系统的压力，V表示系统的体积。
2. 绝热膨胀过程绝热膨胀是指在热机中，工作物质没有与外界交换热量的过程。
根据绝热过程的特性，绝热膨胀的关系式为：PV^γ = 常数。
其中，γ表示气体的绝热指数，取决于工作物质的性质。
3. 等温压缩过程等温压缩是指在热机中，工作物质与冷源保持恒温接触的过程。
与等温膨胀类似，等温压缩的关系式也为：PV = 常数。
4. 绝热压缩过程绝热压缩是指在热机中，工作物质没有与外界交换热量的压缩过程。
根据绝热过程的特性，绝热压缩的关系式为：PV^γ = 常数。
卡诺循环通过这四个过程的组合，将热量转化为机械功，达到最高效率。
它是热动力学中的理想模型，用于评估真实热机的性能。
卡诺循环的效率由以下公式给出：η = (T1 - T2) / T1其中，η表示卡诺循环的效率，T1表示高温热源的温度，T2表示低温热源的温度。
这个公式表明，在给定热源温度的情况下，卡诺循环的效率仅取决于两个热源之间的温差。
需要注意的是，卡诺循环是一个理想模型，不考虑摩擦、传热损失等实际因素，因此其效率是无法达到的上限。
总结：卡诺循环的四个过程公式如下：1. 等温膨胀过程：PV = 常数2. 绝热膨胀过程：PV^γ = 常数3. 等温压缩过程：PV = 常数4. 绝热压缩过程：PV^γ = 常数卡诺循环通过这四个过程的组合，实现了最高效率的热机工作。
其效率仅取决于两个热源之间的温差。
需要注意的是，卡诺循环是一个理想模型，不考虑实际因素，因此其效率是无法达到的上限。
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历史上，热力学理论最初是在研究机 工作过程的基础上发展起来的。 在热机中被用来吸收热量并对外作功 的物质叫工作物质，简称工质。 工质往往经历着循环过程，即经历一 系列变化又回到初始状态。
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一. 循环过程： 系统从某一状态出发，经一系列 变化回到原来状态的全过程。 准静态循环过程在P－V 图上是条一闭合曲线。
放热
（绝对值） 循环效率
Q2 Q34 Q41
5 11 3 P1V1 P1V1 P1V1 2 2
Q2 ＝ 1 15.38 ％ Q1
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例2. 1摩尔氦气经历图示循环过程， 其中AB为等温过程。己知VA = 3升， VB = 6升。求此循环的效率。
P
A
C
B
解： 设 TA TB T
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Q2 Q2 W Q1 Q2
以理想气体为工质的卡诺制冷循环的制冷系数为 T2 T1 T2 这是在T1和T2两温度间工作的各种制冷机的制冷 系数的最大值。
Ⅰ
·
b Q2
Q1
a Ⅱ ·
V
Байду номын сангаас
系统对外界所做的净功：
在一循环过程中： U 0 W W1 W2 0
W Q1 Q2
循环曲线所 包围的面积 净吸收的热量
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2.逆循环：在P-V图上沿逆时针
方向进行的循环。也称制冷循环。
p
Ⅰ
·
b
Q1
a
在一个逆循环过程中，外界对系 统做净功W，系统从低温热源吸 热Q2，向高温热源放热Q1（都表 示绝对值）。 O
>0，吸热
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整个循环过程中吸热
Q1 Q AB QCA 3 （ln 2 ）RT 4
放热（绝对值）
Q2 QBC
Q2 1 13.3% Q1
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三、 卡诺循环
1824 年，法国工程师卡诺（1796-1832）为 研究热机的效率和极限，设计了一种理想热机， 后人称之为卡诺热机：工作物质只与两个恒温 热源交换能量，无散热、漏气等影响，并且整 个过程都是准静态地进行。 卡诺循环：卡诺热机的工作循环。它是由两个 等温过程和两个绝热过程组成。 本节讨论以理想气体为工质的卡诺循环。
Q1 锅炉 泵 冷却器 Q2 蒸汽机：工质—水
O
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p 汽 缸
Ⅱ
A
Ⅰ
·
·
V
二. 循环效率 p 1.正循环：在P-V 图上沿顺时针
方向进行的循环。也称为热机循 环。
设系统经历一个循环过程，从高 温热源吸热Q1，向低温热源放热 Q2，系统对外界做功W1，外界对 O 系统做功W2（都表示绝对值）。
< 0,放热
5 5 5 Q41 n C P , m (T1 T4 ) n R(T1 T4 ) ( P1V1 P1V2 ) P1V1 2 2 2
< 0,放热
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整个循环过程中，吸热
3 13 Q1 Q12 Q23 P1V1 5 P1V1 P1V1 2 2
T1
Q1
W Q2
T2 卡诺循环能流图
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卡诺循环效率为
V3 T2 l n Q2 V4 W 1 1 V2 Q1 Q1 T1 l n V1 由绝热过 1 TV C 程方程 理想气体卡诺循环
得：
T1V2
1 1
T2V3 T1V1
1
的效率只与两热 源的温度有关
Q2 W
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例1. 1mol氦气经图示的循环，其中P2=2P1， V2=2V1 .求该的循环效率。 （已知氦气的Cv,m=3R/2)
P
P2 2 3
P1 1 4
0
V
V1 V2
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解： 工质在四个过程中吸收的热量分别为
3 3 3 Q12 nCV , m (T2 T1 ) n R(T2 T1 ) ( P2V1 P1V1 ) P1V1 2 2 2
Q2
Ⅱ · V
U 0
Q1 W Q2
W Q1 Q2
工质从低温热源吸热的结果，使低温热源的温 度降得更低，以达到制冷的效果。
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Q1
T1 Q1
A=Q1 - Q2 T2 Q2
T1
A
T2 Q2
定义：
（正循环）热机效率： （逆循环）致冷系数：
Q2 W Q1 Q2 1 Q1 Q1 Q1
> 0,吸热
5 5 Q23 nC P , m (T3 T2 ) n R(T3 T2 ) ( P2V2 P2V1 ) 5 P1V1 2 2
> 0,吸热
3 3 Q34 n CV , m (T4 T3 ) n R(T4 T3 ) ( P1V2 P2V2 ) 3 P1V1 2 2
O
3
6
V（l）
1 1 VB VC 由等压过程方程 得 TC TB T 2 2 TB TC VB >0，吸热 QAB nRT ln RT ln2 VA
QBC 5 5 nC p , m (TC TB ) R(TC TB ) RT 2 4
<0，放热
3 QCA nCV , m (TA TC ) RT 4
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1.卡诺热机（正循环）的效率：
卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程组成。
ab：等温膨胀 过程，和高温热 源交换热量为 V2 Qab Wab nRT1 ln V1 （>0,吸热） bc：绝热膨胀过程
p
吸热
Q1
P1 P2
a 等温线 d
b
绝热线
C
P4 P3
V1
V4 V2
V3
V 放热 Q2
Qbc 0
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c→d,等温压缩过程，
工质和低温热源交换热量为
Qcd Wcd
da：绝热压缩过程，Qda 0
V4 nRT2 l n V3
（<0,放热）
在一次循环中，工质从 高温热源吸热： V2 Q1 Qab nRT1 ln V1 向低温热源放热：
Q2 Qcd V3 nRT2 ln V4
T2V4
所以：
1
V3 V2 V4 V1
T2 1 T1
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2.卡诺制冷机（逆循环） 的致冷系数 逆向循环反映了制 冷机的工作原理，其能 流图如右图所示。
W
T1
Q1
Q2
T2
工质把从低温热源吸收的热量和外界对它所 作的功以热量的形式传给高温热源，其结果可使 低温热源的温度降得更低，达到制冷的目的。吸 热越多，外界作功越少，表明制冷机效能越好。 用制冷系数 表示之。