w9-3-1 循环过程 卡诺循环
热力学循环教案学习卡诺循环与热效率的计算
热力学循环教案学习卡诺循环与热效率的计算热力学循环教案学习：卡诺循环与热效率的计算热力学循环是热能转换和能量利用过程中的关键概念。
在热力学循环中，卡诺循环是一种理想的循环过程，通过详细了解卡诺循环和热效率的计算方法，我们可以更好地理解能量转化和工程领域中的热力学系统。
一、卡诺循环简介卡诺循环是理想的热力学循环过程，由法国工程师尼古拉斯·卡诺首次提出。
它由两个等温过程和两个绝热过程组成，如图所示。
[这里插入一张卡诺循环的图示，展示其循环过程和各个过程的特点]首先，热源（高温热源，记为TH）使工作物质在高温等温过程中吸热QH，工作物质由高温热源吸收的热量转化为机械功W1。
然后，工作物质经过绝热膨胀过程，内部能量降低，功W1被输出。
接下来，工作物质与低温热源（低温热源，记为TC）接触，低温热源从工作物质中吸收热量QL，工作物质继续进行等温过程，内部能量提高，同时从外部吸收了机械功W2。
最后，工作物质经过绝热压缩过程，内部能量再次降低，机械功W2被输入。
经过一个卡诺循环，工作物质回到了初始状态，而且循环过程中无任何熵变。
卡诺循环的特点使得其拥有最高的热效率，并成为热力学循环中的理论极限。
二、热效率的计算热效率是热力学循环中一个关键的指标，用来衡量热能转换的效率。
在卡诺循环中，热效率的计算方法较为简洁，可以通过温度来确定。
热效率η定义为输出功W与吸热热量QH的比值。
在卡诺循环中，热效率η等于两个等温过程温度差的比值：η = 1 - (TC / TH)其中，TC表示低温热源的温度，TH表示高温热源的温度。
卡诺循环中的热效率只与温度有关，与具体循环工质无关，这也是卡诺循环作为理论极限的重要原因之一。
三、实际循环与卡诺循环的比较卡诺循环是理论极限，实际工程循环无法完全达到这一效果。
实际循环中存在各种损耗和不可逆因素，导致热效率较卡诺循环低。
实际循环中热效率的计算需要考虑这些不可逆因素。
一种常用的方法是使用热损耗系数（COP）来衡量实际循环与卡诺循环之间的差距，COP定义为实际循环的热效率与卡诺循环热效率之比。
卡诺循环论文
作者：2011级化工班魏鹏2013年6月关键词卡诺循环、内燃机、空调、效率摘要卡诺循环是一个非常重要的发现，它从根本上解释了热力学中的问题，它为后来的蒸汽机、内燃机、空调奠定了基础。
正文卡诺循环原理：卡诺循环(Carnot cycle) 是由法国工程师N.L.S.Carnot于1824年提出的，以分析热机的工作过程，卡诺循环包括四个步骤：等温膨胀，绝热膨胀，等温压缩，绝热压缩。
即理想气体从状态1（P1，V1，T1）等温膨胀到状态2（P2，V2，T2），再从状态2绝热膨胀到状态3（P3，V3，T3），此后，从状态3等温压缩到状态4（P4，V4，T4），最后从状态4绝热压缩回到状态1。
卡诺循环的应用：正应用：汽车的发动机（内燃机）汽车的内燃机的工作原理是卡诺循环的一个灵活应用。
首先汽缸吸入空气，空气进入汽缸内的可燃混合气的温度，由于进气管、汽缸壁、活塞顶、气门和燃烧室壁等高温零件的加热以及与残余废气的混合而升高到340～400K。
然后活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。
活塞上移时，工作容积逐渐缩小，缸内混合气受压缩后压力和温度不断升高，到达压缩终点时，其压力pc可达800～2 000kPa。
这时汽车的火花塞打火，将缸内可燃气体引燃，完成了卡诺循环的第一个过程，将空气加热到高温热源。
高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，并通过曲柄连杆机构对外输出机械能。
这就是第二个过程，对外做功过程，然后随着活塞下移，汽缸容积增加，气体压力和温度逐渐下降，，其压力降至300～500kPa，温度降至1 200～1 500K。
这是排气阀打开，让燃烧室内的废气连同废热一起排入大气完成了第三步将气体变成低温热源，缸内没有排出的气体称为废气，带入下次循环。
从根本意义上讲，内燃机的工作过程并不是一个标准的卡诺循环，但是将内燃机和大气选做一个系统，这就是一个卡诺循环。
逆应用：热泵（压缩制冷装置）首先是一种液态物质，吸收系统的热量气化成气体从而带走热量，再在另一处释放出热量，从而达到制冷的效果，如果像制热，则可以将其反转，从外部吸收热量，在内部释放，这是卡诺循环的逆应用，一般用在空调和冰箱上面，其中压缩机就是将其压成高温高雅的气体，从而经过冷凝系统，将热释放到外系统中，在经过毛细管，电子元件继续变成液态，从而完成了一个循环。
3.4卡诺循环
循环过程：系统从某一状态出发，经过一系列状态变化后，又回到初始状态的整个过程，简称循环。
工作物质：循环工作的物质，简称工质。
3.4卡诺循环1、循环过程pVoABcd★如果循环所经历的过程都是准静态过程，则循环可用p-V 图上的闭合曲线来表示。
p-V 图上按顺时针方向进行的循环称为正循环（热机）；按逆时针方向进行的循环称为逆循环（致冷机）。
（1）内能（ΔE）系统经历一个循环之后，又回到最初的状态。
=∆E（2）净功（A）工质在整个循环过程中对外做的净功等于曲线所包围的面积。
2、循环特征pVoABcd（3）热量（Q ）由热力学第一定律：A Q =pVoAB12Q Q Q =-（）总吸热净热量总放热1Q 2Q Q1Q 2Q 净热量←→净功3、循环效率2111Q AQ Q η==-12A Q Q =-20Q <10Q >循环（热机）效率:p4、卡诺循环1824年法国的年青工程师卡诺提出一个工作在两个热源之间的理想循环---卡诺循环；卡诺指出了热机效率的理论极限值；还提出了著名的---卡诺定理.Lazare Carnot(1796-1832)A —B 等温膨胀B —C 绝热膨胀C —D 等温压缩D —A 绝热压缩卡诺循环过程：Vo p 2T A1T ABC D1p 2p 4p 3p 1V 4V 2V 3V 12T T abQ cd Q 卡诺循环由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程组成。
2111lnab V Q Q RT V ν==A —B 等温膨胀吸热3224lncdV Q Q RT V ν==C —D 等温压缩放热Vo p 2T A1T ABC D1p 2p 4p 3p 1V 4V 2V 3V 12T T abQ cd Q 卡诺循环效率：D —A 绝热过程111142V T V T γγ--=B —C 绝热过程111223TV T V γγ--=3214V V V V ⇒=所以V o p 2T W1T ABCD1p 2p 4p 3p 1V 4V 2V 3V 12T T abQ cd Q 2111lnabV Q Q RT V ν==3224lncdV Q Q RT V ν==3224221111ln 111ln V Q T V T V Q T T V 211T T η=-卡诺循环效率：3214V V V V =（）【说明】①卡诺循环的效率只与两个热源温度有关，两热源温差越大，卡诺效率越高。
热力学中的卡诺循环
热力学中的卡诺循环热力学是自然科学中研究热能转换和相关现象的一个重要分支，它涉及到热力学系统的性质、热能的传递以及能量转化等方面的问题。
热力学很大程度上探讨了能量如何从一个物体转移到另一个物体，其中一个受到特别关注的主题就是卡诺循环。
卡诺循环是热力学中最重要的循环过程之一，它是由法国物理学家尼古拉·卡诺于1824年提出的。
卡诺循环是一个最理想的热机循环过程，用于解释和研究热能转换的极限情况。
它由四个步骤组成：绝热膨胀、等温膨胀、绝热压缩和等温压缩。
首先，我们来看绝热膨胀的过程。
在这一步中，工作物体从最初的状态开始，以无热量交换的方式进行膨胀。
这个过程中没有热量进入或者离开系统，温度会下降。
接下来是等温膨胀。
这一步中，工作物体与某个热源接触，使得温度保持不变。
在这个过程中，工作物体吸收了热量，同时膨胀。
第三步是绝热压缩。
在这一步中，工作物体与外界没有热量交换，物体被压缩，温度上升。
最后一步是等温压缩。
在这个过程中，工作物体与另一个热源接触，从高温热源吸收热量，使得温度保持不变。
工作物体压缩至最初状态。
卡诺循环的最大特点是高效率。
在卡诺循环中，热机的热效率由两个温度决定：高温热源的温度和低温热源的温度。
尽管存在能量损失，卡诺循环具有最高的热效率。
这是由于卡诺循环在等温过程中通过传导热量的方式，而在绝热过程中通过绝热传导热量。
为了更好地理解卡诺循环，我们可以考虑一个案例。
假设高温热源的温度为T1，低温热源的温度为T2，根据热力学的知识，我们可以得到卡诺循环的热效率为：η = 1 - T2/T1其中，η表示热效率，T2表示低温热源的温度，T1表示高温热源的温度。
从这个公式可以看出，当低温热源的温度接近绝对零度时，热效率趋向于最大值。
卡诺循环的研究不仅仅是为了认识和解释理论上的极限情况，还为我们提供了一种衡量其它热机性能的标准。
通过与卡诺循环进行比较，我们可以计算其他热机的热效率和性能损失。
然而，实际中的热机循环通常无法达到卡诺循环的理想状态。
与卡诺循环
T2
ln
T1
ln
V2 V1
V3 V4
T
说明：① η卡仅由T1、T2决定
② 卡 T T
T
T1越大、T2越小
卡
越高
③卡诺热机是理想热机，其效率大于 其他热机效率.
同理可证；
Q 2
T
2 .
Q 1
T
1
Q Q T T h Q Q T T
1
2
1
2
1
2
1
2
例P156 [ 例7.3 ] [例7.4].
C →D →A 体积压缩 系统对外作负功
整个循环过程对外作功 ABCDA
在数值上等于P——V图上曲线ABCD所包围的面 积 正循环特点——系统对外作功
经过一个循环过程又回到A ΔU=0 系统对外作了功
根据能量守恒，能量从哪里来？ Q1＞│Q2│
A净=Q1－│Q2│ 循环效率：
A净 Q
A净 Q Q Q
在研究提高热机效率的过程中，法 国工程师萨迪.卡诺提出一种理想热机循 环，称为卡诺循环。该循环过程由两个 准静态等温过程和两个准静态绝热过程 组成。
萨迪.卡诺是法国青年工程师、热力 学的创始人之一，是第一个把热和动力 联系起来的人。 他出色地、创造性地用
“理想实验”的思维方法，提出了最简 单，但有重要理论意义的热机循环—— 卡诺循环，并假定该循环在准静态条件 下是可逆的，与工质无关，创造了一部 理想的热机（卡诺热机）。卡诺的目标 是揭示热产生动力的真正的、独立的过 程和普遍的规律。1824年卡诺提出了对 热机设计具有普遍指导意义的卡诺定理， 指出提高热机效率的有效途径，被后人 认为是热力学第二定律的先驱 。
卡诺循环概述
卡诺循环
卡诺循环由四个可逆过程组成：
①恒温可逆膨胀过程， 状态1→状态2；
② 绝热可逆膨胀过程， 状态2→状态3；
③恒温可逆压缩过程， 状态3→状态4；
④ 绝热可逆压缩过程， 状态4→状态1
2021/11/3
卡诺循环示意图
卡诺循环（Carnot cycle）
下面对循环中各过程的热功交换情况一一分析：
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卡诺循环（Carnot cycle）
④绝热可逆压缩过程 理想气体由状态4（p4V4T2）变 化到状态1（p1V1T1），完成循环。
Q0
W4 U4 nCv,m (T1 T2 )
曲线41下方所围面积即为本过程中环境对系 统所做功。
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卡诺循环（Carnot cycle）
T1V2 1 T2V3 1 T1V1 1 T2V4 1
γ C p,m Cv,m
可得
V2 V3
V1 V4
所以，卡诺循环中的总功为
W
nR(T1
T2
)
ln
V2 V1
可知，卡诺循环过程中，系统从高温热源吸收热，对环境做功。
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理想气体的四个可逆过程构成了一个可逆循环，系统对环境做的总功 相当于四边形1234所围成的面积。循环过程中，
U 0
Q Q1 Q2 W
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卡诺循环（Carnot cycle）
W W1 W2 W3 W4
按照理想气体绝热过程方程
nRT1
ln
V2 V1
nRT2
ln V4 V3
①恒温可逆膨胀过程 理想气体由状态1（p1V1T1） 变化到状态2（p2V2T1）
循环过程-卡诺循环
虽然卡诺致冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但
需外界作功且使环境发生变化.
第十三章 热力学基础
13-6 热力学第二定律
注意 1 热力学第二定律是大量实验和经验
的总结. 2 热力学第二定律开尔文说法与克劳
修斯说法具有等效性 . 3 热力学第二定律可有多种说法，每
种说法都反映了自然界过程进行的方向性 .
各种热机的效率
液体燃料火箭 48% 柴油机 37%
汽油机
25% 蒸汽机 8%
第十三章 热力学基础
13-5 循环过程 卡诺循环
热机 : 持续地将热量转变为功的机器 .
第十三章 热力学基础
13-5 循环过程 卡诺循环 致冷机 ：利用外界对工作物质做功使热量持续地由低温处流入
特征: E 0 由热力学第一定律
pA
Q W
净功 W Q1 Q2 Q
总吸热
Q1
o VA
总放热
Q2 （取绝对值）
净吸热
Q
第十三章 热力学基础
c W
d
B
VB V
13-5 循环过程 卡诺循环
正循环: p-V图上按顺时针方向进行的循环 过程.如右图所示的循环AcBdA是正循环. p A
正循环中系统对外界所做功的净功等于 循环所包围的面积.
QT
RT
ln V2 V1
RT
ln
p1 p2
(P223页13 14式)
p p1
A
T1 T2 Qab
p2
T1 B
p4
W
DLeabharlann p3CQcd T2 V
o V1 V4
V2 V3
13-5 循环过程 卡诺循环
12.4 循环过程 卡诺循环
4 2
a 吸气 排气
1
o V1
V2 V
1
V1 T4
T1
T4 T1
V2
T3 T2 T3 T2
1 T4 T1
T3 T2
1
1 V1 V2
证毕
P3
绝热线
4 2
a 吸气 排气
1
V2 称为压缩比 V1
o V1
V2 V
例2：一热机以1mol双原子分子气体为工作物 质，循环曲线如图所示，其中AB为等温过程， TA=1300K，TC=300K。
T1 ln( V2 / V1 )
T1
1 T2
T1
5、讨论
（1）卡诺机必须有两个热源。热机效率与工作 物质无关，只与两热源温度有关。
（2）热机效率不能大于1或等于1，只能小于1。
W 1 T2
Q吸
T1
•如果大于1，W > Q吸 则违反了能量守恒定律；
•如果为1则 T2 0 现在的技术还不能达到绝对零度；
12.4 循环过程 卡诺循环
一、几个概念
1、循环过程 热力学系统经历了一系列热力学过程后又回
到初始状态，这个过程为循环过程。
2、准静循环过程
循环过程中每一个状态都是由热平衡态构 成的，这个过程为准静循环过程。
3、准静循环过程的特点 •经过一个循环，内能不变。
•循环曲线为闭合曲线。 P
1
•循环曲线所包围的面 积为系统做的净功。
Q吸 正循环 W
4、正循环与逆循环
•正循环
热机
Q放 o
V1
2
V V2
循环曲线顺时针。系统吸热，对外做正
功；返回时，系统放热，对外做负功；循环 面积为正值。
热力学基础中的热力学循环
热力学基础中的热力学循环热力学循环是热力学的重要概念之一，用来描述热力学系统在经历一系列循环过程后最终回到初始状态的过程。
热力学循环在能量转换和工程应用中具有广泛的应用，例如汽车发动机、蒸汽动力机等。
本文将介绍热力学基础中的热力学循环包括卡诺循环和斯特林循环。
一、卡诺循环卡诺循环是热力学中最重要的理想循环之一，它是由法国工程师尼古拉·卡诺于1824年提出的。
卡诺循环由两个绝热过程和两个等温过程组成。
绝热过程中热量不可进入或传出系统，而等温过程中温度保持不变。
卡诺循环的循环过程如下：1. 等温膨胀过程（A→B）：系统从高温热源吸收热量QH，压力从PH降低到低温热源的压力PL。
2. 绝热膨胀过程（B→C）：系统不断膨胀，温度随着体积的增加而降低。
3. 等温压缩过程（C→D）：系统与低温热源接触，释放热量QL。
4. 绝热压缩过程（D→A）：系统压缩并回到初始状态，温度保持不变。
卡诺循环的优点在于其效率最高，可以用来作为理想热机效率的参照。
卡诺循环的效率由以下公式给出：η = 1 - (QL/QH)其中，η表示热机的效率，QL表示由系统释放的热量，QH表示由系统吸收的热量。
卡诺循环的效率只与温度有关，与工质的特性无关。
二、斯特林循环斯特林循环是另一种重要的热力学循环，由爱尔兰神父罗伯特·斯特林于1816年发明。
斯特林循环将工质气体在不同温度下的等温和绝热过程相结合，具有与卡诺循环相似的轮廓。
斯特林循环的循环过程如下：1. 等温膨胀过程：系统与高温热源接触，吸收热量QH，温度保持不变。
2. 绝热膨胀过程：系统绝热膨胀，温度随着体积的增加而降低。
3. 等温压缩过程：系统与低温热源接触，释放热量QL，温度保持不变。
4. 绝热压缩过程：系统绝热压缩并回到初始状态，温度保持不变。
斯特林循环的效率与卡诺循环类似，也只与温度有关。
斯特林循环常用于制冷和发电领域，具有较高的效率和可靠性。
三、结语热力学循环在热力学基础中起着重要作用。
卡诺循环的原理
卡诺循环科技名词定义中文名称：卡诺循环英文名称：Carnot cycle定义：由两个可逆的等温过程和两个可逆的绝热过程所组成的理想循环。
百科名片卡诺循环卡诺循环(Carnot cycle) 是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的，以分析热机的工作过程，卡诺循环包括四个步骤：等温膨胀，绝热膨胀，等温压缩，绝热压缩。
即理想气体从状态1（Ｐ1，Ｖ1，Ｔ1）等温膨胀到状态2（Ｐ2，Ｖ2，Ｔ2），再从状态2绝热膨胀到状态3（Ｐ3，Ｖ3，Ｔ3），此后，从状态3等温压缩到状态4（Ｐ4，Ｖ4，Ｔ4），最后从状态4绝热压缩回到状态1。
这种由两个等温过程和两个绝热过程所构成的循环成为卡诺循环。
简介卡诺循环包括四个步骤：等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩等温膨胀，在这个过程中系统从环境中吸收热量；绝热膨胀，在这个过程中系统对环境作功；等温压缩，在这个过程中系统向环境中放出热量；绝热压缩，系统恢复原来状态，在这个过程中系统对环境作负功。
卡诺循环可以想象为是工作与两个恒温热源之间的准静态过程，其高温热源的温度为Ｔ1，低温热源的温度为Ｔ2。
这一概念是1824年N.L.S.卡诺在对热机的最大可能效率问题作理论研究时提出的。
卡诺假设工作物质只与两个恒温热源交换热量，没有散热、漏气、摩擦等损耗。
为使过程是准静态过程，工作物质从高温热源吸热应是无温度差的等温膨胀过程，同样，向低温热源放热应是等温压缩过程。
因限制只与两热源交换热量，脱离热源后只能是绝热过程。
作卡诺循环的热机叫做卡诺热机[1]。
原理卡诺循环的效率通过热力学相关定理我们可以得出，卡诺循环的效率ηc＝1-Ｔ2/Ｔ1，由此可以看出，卡诺循环卡诺循环的效率只与两个热源的热力学温度有关，如果高温热源的温度Ｔ1愈高，低温热源的温度Ｔ2愈低，则卡诺循环的效率愈高。
因为不能获得Ｔ1→∞的高温热源或Ｔ2=0K（-273℃）的低温热源，所以，卡诺循环的效率必定小于1。