卡诺循环限

卡诺循环在实际的热机中,各种因素互相交织,极为复杂。为了便于研究,需要采用理想化的方法,以突出主要矛盾和主要特征。热机循环就是理想化了的循环过程。在各种理想循环中,最有影响的是法国工程师卡诺提出的循环,即卡诺循环。1

卡诺循环基本概念卡诺循环是在两个恒温热源之间工作的循环过程,体现了热机循环的最基本的特征。它由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程组成,如概念图所示。在循环过程中,工作物质从高温热源T1吸热Q1,向低温热源放热Q2,对外做功A。1卡诺认为:“所有工作在两个一定温度之间的热机,以可逆热机的效率最大。”这就是著名的卡诺定理。2

相关概念循环过程循环过程是系统(如热机中的工质)经历了一系列的变化后又回到初始状态的过程,简称循环。例如,如图表示了活塞式蒸汽机的循环过程。锅炉A中的水受高温热源加热变为蒸汽后,进入过热器B中继续加热而成为高温高压蒸汽,然后进入气缸C中绝热膨胀,推动活塞对外做功。从C中流出的低压蒸汽进入冷凝器D,向低温热源(通有冷却水的盘管)放热而冷凝为水。继而,水重新进入锅炉加热,如此周而复始。工质(水)在每一次循环中都把从高温热源吸收的热量中的一部分用于对外做功,而其余部分则传给低温热源。工质每经过一循环后,都回到原来的状态。1

热机循环假如系统所经历的循环过程的各个阶段都是准静态过程,这个过程就可以在状态图(如图)上用一个闭合曲线表示。右图就代表了一个任意的准静态循环过程。当系统从状态a经b到达c的过程中,体系对外做功;从状态c经d回到状态a的过程中,外界对体系做功。整个循环过程中体系对外所做的净功A等于循环过程曲线线abcd所所包围的面积。这种系统对外做净功的循环,叫作正循环或热机循环。后面我们将会看到,对于正循环来说,系统必定要从较高温度的热源吸热(记为Q1)而向较低温度的热源放热(记为Q2)。根据热力学第一定律,由于系统回到了初态,其内能不变,因而A应满足关系式1

热机效率为

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李斌 - 副教授 - 西南大学