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1、浅谈卡诺循环•热机的效率研宄李鑫11社会工作2011425020循环过程应用非常常见，如汽车发动机、蒸汽机等，还有冰箱、空调等，它们分别以不同的方式利用了不同种类的循环过程，最终具有了各自不同的功能。那么，这些机器和设备是怎样利用循环过程來达到各A的目的？对于它们什么是最关键的指标？工程师设计高性能的机器和设备以及提高其性能的依据是什么？卡诺循环不是双热源可逆循环的唯一循环,广义卡诺循环是双热源可逆循环的普遍方式：广义卡诺循环对实际热机的理论意义在于，指岀采用冋热装罝，可以提高热机效率；广义卡诺循环使卡诺定理的内涵更为深刻，适用范围更加广泛。一、卡诺循环(一)基本介绍卡诺循环是由法国
2、工程师尼古拉•莱昂纳尔•萨辿•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：等温吸热，绝热膨胀，等温放热，绝热压缩。即理想气体从状态1(Pl,VI,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力卡诺循环。卡诺循环包括叫个步骤：等温膨胀，在这个过程中系统从高温热源中吸收热量，对外作功；绝热膨胀，在这个过程中系统对环境作功，温度降低；等温压缩，在这个过程中系统向环境屮放出热W:,体积压缩；绝
3、热压缩，系统恢复原来状态，在等温压缩和绝热压缩过程中系统对环境作负功。卡诺循环可以想象为是工作于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.LS.卡诺在对热机的最大可能效率问题作理论研究吋提出的。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:k,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。(二)工作原理热力学理论指出，要实现一个可逆循环过程，必须使循环过程中的每
4、一分过程都是可逆的，而要实现过程的可逆，除了要使过程没有摩擦存在以外，更重要的就是要求过程的进行是准静态的。这就要求在工作物质与热源接触的过程屮基本上不存在温度差，也就是在热交换过程中，要求互相交换热量的物体有无限接近的温度。对于双热源的川'逆循环来说，它只有两个恒温热源，设T1为高温热源的温度，T2为低温热源的温度，则系统只有在温度T1吋冰可与高温热源交换热量，而与低温热源交换热量吋，系统的温度又必须是T2,所以系统与外界交挽热量必然要经历两个等温过程。另一方面，系统从T1可逆的变到T2,再从T2可逆的回到T1,从而完成一个循环，则可经历两个与外界不交换热量的可逆变化，这就是说还要
5、经历两个绝热过程。由此可知，要完成一个双热源的nJ•逆循环，其方式应当是由两个等温过程与两个绝热过程组成，这就是所谓的卡诺循环。二、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HC-1-T2/T1,由此可以看出，卡诺循环的效率只与两个热源的热力学温度有关，如果温热源的温度T1愈岛，低温热源的温度T2愈低，则卡诺循环的效率愈高。因为不能获得的高温热源或T2=0K（-273'C）的低温热源，所以，卡诺循环的效率必定小于1。可以证明，以任何工作物质作卡诺循环，其效率都一致；还可以证明，所有实际循环的效率都低于同样条件下卡诺循环的效率，也就是说，如果高温热源和低温热源的温度确
6、定之后卡诺循环的效率是在它们之间工作的一切热机的最商效率界限。因此，提商热机的效率，应努力提高高温热源的温度和降低低温热源的温度，低温热源通常是周围环境，降低环境的温度难度大、成本高，是不足収的办法。现代热电厂尽量提高水蒸气的温度，使用过热蒸汽推动汽轮机，正是基于这个道理。根据热力学第二定律，在相同的高、低温热源温度71与72之间工作的一切循环屮，以卡诺循环的热效率为最高，称为卡诺定理。卡诺循环具有极为重要的理论和实际意义。虽然,完全按照卡诺循环工作的装置是难以实现的，但是卡诺循环却为提高各种循环热效率指明了方向和给出了极限值。三、对卡诺定理的理解卡诺定理指出：（一）在相同的商温热源
7、和相同的低温热源之间工作的一切可逆循环都有相同的效率。（二）在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆循环，其效率都不可能大于可逆循环的效率。现行的各种热学教材对于卡诺定理的证明都是从双热源卡诺循环出发加以论证的，它们汄为定理屮所说的“可逆循环”指的是卡诺循环。“一切可逆循环”则指具有不同工作物质的卡诺循环。现在巾于广义卡诺循环与卡诺循环具有相同的效率，而且都是双热源可逆循环的可能方式，因此可以认为定理中所说的“可逆循环”和“一切可逆循环”除了指
