大学物理第三章2热力学第一定律.ppt

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1、1,关于全国物理竞赛的通知,1.本周五（12月7号）9:00-18:00带学生证到 理学院B座302房间领取准考证；2.本周日（12月9号）中午12点在学校东门统一乘车 去考试；所带证件：身份证，学生证，准考证 考试时间：14:00-16:30 地点：北航大学沙河校区注意：17:00考完试后统一乘车回校；,2,上节课内容回顾,3.1 准静态过程 3.2 功、热、内能 3.3 热力学第一定律及应用 一热力学第一定律 二理想气体的等值过程 3.4 热容 3.5 绝热过程,3,3.6 循环过程 3.7 卡诺循环 3.8 致冷循环作业：3.20，3.23，3.24,4,内燃机的工作循环(奥托循环),5

2、,内燃机的工作循环(奥托循环),奥托循环的一个周期是由吸气过程、压缩过程、膨胀做功过程和排气过程这四个冲程构成。,1.首先活塞向下运动使燃料与空气的混合体通过一 个或者多个气门进入气缸，关闭进气门；2.活塞向上运动压缩混合气体；3.然后在接近压缩冲程顶点时由火花塞点燃混合气 体，燃烧空气爆炸所产生的推力迫使活塞向下运 动，完成做功冲程；4.最后将燃烧过的气体通过排气门排出气缸。,6,内燃机的工作循环(奥托循环),1.绝热压缩12,气体从(V1，T1)态变到(V2，T2)态2.等体吸热23,气体从(V2，T2)态变到(V2，T3)态3.绝热膨胀34,气体从(V2，T3)态变到(V1，T4)态4.

3、等体放热41,气体从(V1，T4)态变到(V1，T1)态,7,3.6 循环过程,循环过程（Cyclic Process):,过程按顺时针进行叫正循环，反之，叫逆循环。,1、循环过程特征 d E=0 E=0,2、任何循环过程可由若干个分过程过程组成。,3、热量和功计算：按各不同的分过程进行，总合起来求得整个循环过程的净热量、净功。,若系统（工作物质）经过一系列变化后又回复到初始状态，这一过程叫循环过程。,8,一,正循环,如图系统状态沿顺时针方向变化。,为了计算循环过程做的功，把过程分为 AaB、BbA 两个分过程。,9,AaB：系统做的功等于曲线AaB 下的面积，由于过程中系统的体积连续膨胀，系

4、统对外做正功。,BbA：系统做的功等于曲线 BbA下的面积，系统的体积连续被压缩，系统对外做负功。,10,整个循环过程系统做的净功等于两块面积之和，,由于正负关系，重叠部分的面积被抵消，只剩下闭合曲线所围面积。,11,整个循环过程系统做的净功等于闭合曲线所围面积。,对正循环,正循环的结果是系统从热源净吸热并对外界做净功。,把使系统进行正循环的设备称作热机，如:内燃机、蒸汽机等就是实际的热机，,热机一般需要高低两个热源，其发生的能量转换关系可用下图表示:,热机工作原理:,二,热机,12,热机工作必须进行一个个循环。在循环过程中，系统所吸收的热量Q1 不能全部用来对外做功（A=Q1-|Q2|），必

5、须有一部分热量（Q2）放到低温热源，才能循环。,结论：,热机至少要在两个热源中进行循环，从高温热源吸收热量，然后放一部分到低温热源去，两个热源的温度差就是是热动力源。,热机,动画,热机工作原理,13,热机一般需要高低两个热源，其发生的能量转换关系可用下图表示,热机工作一个循环净吸热等于热机做的净功,热机效率(efficiency),意义：吸收的单位热量有多少转变为对外做的功。,显然：1,热机性能的重要标志。,注意：,14,卡诺为热力学第二定律奠定了基础，为提高热机的效率指明了方向，为热力学的发展作出了杰出的贡献！,3.6、卡诺循环（Carnot Cycle）,15,3.6、卡诺循环（Carno

6、t Cycle）,T1,T2,（1824年，法国Carnot提出的）,卡诺正循环卡诺热机（Carnot Engine）,绝热膨胀,绝热压缩,卡诺循环：系统只和两个恒温热源进行交换的准静态过程。整个循环由等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩四个过程组成。,1、卡诺循环,卡诺逆循环卡诺制冷机,16,2、卡诺热机效率,热机效率：,12,等温压缩,34,等温膨胀,系统从高温热源 T1 吸热，吸收热量,向低温热源 T2 放热，放出热量（大小）,卡诺热机效率计算,由热机效率公式，得：,又由：,得：,17,从单一热源吸取热量的热机是不可能的。,卡诺热机的效率只与 T1、T2有关，与工作物无关。,卡诺正循环

7、效率,两热源的温度差越大，效率越高。,意味着提高热机的效率有两中途径：一种提高高温热源的温度；另一种是降低低温热源的温度。,实际上后一种办法是不经济的，通常都是采用前一种方法，这就是为什么火力发电场要尽可能提高水蒸汽的温度。,18,例题 现代热电厂水蒸汽的温度可达850K，冷凝水的 温度300K，如按卡诺循环计算，效率=？,T1=850K，T2=300K,但实际上36%,卡诺循环只是一种理想模型,=1-T2/T1=1-300/850=0.65（或65%）,卡诺正循环效率,19,一,负循环,如图,系统状态沿逆时针方向变化。,把过程分为 AbB、BaA 两个分过程。,3.8 致冷循环,20,BaA

8、：系统做的功等于曲线 BaA 下的面积，过程中系统的体积连续被压缩，系统对外做负功。,AbB：系统做的功等于曲线 AbB 下的面积，系统的体积连续膨胀，系统对外做正功。,21,整个循环过程系统做的净功等于两块面积之和，,由于正负关系，重叠部分的面积被抵消，只剩下闭合曲线所围面积。,22,整个循环过程系统做的净功等于闭合曲线所围面积。,对负循环,负循环的结果是系统对外界做净功(值为负的.)，系统向外界放热。,把使系统进行负循环的设备称作致冷机，如冰箱、空调机等就是实际的致冷机，,23,致冷机也需要高低两个热源，其发生的能量转换关系可用如图表示。,意义：当外界输入单位功时，能从低温热源吸收的热量多

9、少。,致冷循环的特点,内能变化：,E=0,外界作功：,A净,净放热：,致冷机工作一个循环,外界做的净功等于系统净放热,致冷系数：（coefficient of performance）,或,致冷系数：制冷机性能的重要标志。,=A净,致冷机 致冷系数,二,致冷机,24,理想气体的卡诺致冷循环,三,卡诺逆循环（逆循环）的致冷系数,致冷系数：,吸热过程：,吸热Q2,23,放热过程：,放热Q1,41,同理可得：,T1,卡诺逆循环循环 卡诺致冷机,卡诺致冷机（逆循环）的致冷系数,25,卡诺逆循环的致冷系数,例题 家用电冰箱内的温度为270K，室温为300K，若按卡诺致冷循环计算，致冷系数w=?,T2=2

10、70K，T1=300K,w=T2/（T1-T2）=270/（300-270）=9,但实际上最好情况：w56,注意：,T2 越低，两热源温差越大，致冷系数越低。,说明要得到更低的 T2，就要花更大的外功。,放出的热量是可以利用的。,26,例1.,一热机用5.8105 kg 空气,从初状态1等体加热到状态2，再经绝热膨胀达到状态3，最后经等压过程又回到状态1，完成一个循环。试在 PV 图上作出循环曲线，假定空气可视为理想气体，求热机效率。,已知：,在 PV 图上作出循环曲线如图所示,状态和过程分析：,解:,27,解:,12,方法1,利用,求解,等体（吸热）,31,等压（放热）,利用过程方程或理想气

11、体状态方程求以上各未知的状态参量,28,解:,又由理想气体状态方程，得：,12,等体,由过程方程和理想气体状态方程求以上各未知的状态参量,29,解:,23,绝热过程,31 等压,30,解:,方法2,利用,求解,12,等容过程,23,绝热过程,31,等压（压缩）过程,整个循环过程做的净功,31,解:,整个循环过程做的净功,气体仅在等体过程中吸热,32,解:,整个循环过程做的净功,热机效率,气体仅在等体过程中吸热,33,例题2,计算理想气体Brayton循环的热机效率。,解：,由定义：,吸热过程：,吸热Q1,故：,这里的Q1 和Q2均取绝对值。,T1,T2,T3,T4,绝热膨胀,绝热压缩,(T2),已知T2、T3。,T1T2,放热过程：,放热Q2,T3T4,考虑两个绝热过程：,T2T3,T4T1,（利用绝热过程方程找温度间的关系）,34,例3,1mol双原子分子理想气体作如图的循环过程，其中12为直线，23为绝热线，31为等温线。已知：,试求：（1）各过程的功、内能增量和传递的热量；（2）此循环的效率。,35,解：,12为直线,先求功,36,12为直线,37,12为直线,23为绝热线,38,31为等温线,39,