§18-3   卡诺循环

         一、循环

         一个系统若从某一状态出发,经一系列任意的过程又回到原来的状态,那么这一系列过程就组成了一个循环。构成系统的物质就称为工作物质。显然,在经历一个循环后系统的内能没有变化,这是循环的重要特征。准静态循环可以在p-V图上表示出来,如图18-12中的闭合曲线BC1DC2B所示。若循环是沿顺时针方向进行的,称为正循环;若循环是沿逆时针方向进行的,称为逆循环。需要指出,在本节的讨论中,大家按照通常的做法,在用AQ分别表示功和热量时,均指其数值的大小,或绝对值。

              图18-12

         大家来分析正循环中能量的转换情况。图18-12中箭头所表示的方向就是正循环的方向。系统由状态B出发,沿过程BC1D到达状态D,这是膨胀过程,系统对外界作功A1,显然A1等于BC1DFEB的面积。系统由状态D出发,沿过程DC2B回到状态B, 这是压缩过程,外界对系统作功A2A2等于DC2BEFD的面积。所以, 完成一个正循环系统对外界作的功应为

                         A = A1 - A2 .                                (18-36)

A必定等于闭合曲线BC1DC2B所包围的面积。系统在完成一个正循环回到原状态时,内能不变。而系统从外界吸取的热量Q1必定大于释放的热量Q2,根据热力学第一定律,两者之差Q1-Q2 就等于系统对外界所作的功A。所以说,系统在正循环中从高温热源吸取热量,对外界作功, 同时还必须向低温热源释放热量;系统对外界所作的功等于系统吸取的热量与释放的热量之差。

         在技术上往往要求工作物质能连续不断地把热转变为功,能满足这一要求的装置称为热机。正循环所表示的能量转换关系就反映了热机的能量转换的基本过程。

         效率是热机性能的一个重要标志,定义为

                    .              (18-37)

由上式可见,热机效率的高低表示热机由外界吸取来的热量中有多少被转变为有用的功。

         大家再看一下逆循环中能量的转换情况。图18-12中箭头的反方向,即逆时针方向就是逆循环的方向。在逆循环中热量传递和作功的方向都与正循环中的相反。所以,在逆循环中外界对系统作功A,使系统从低温热源吸取热量Q2,同时还必须向高温热源释放热量Q1;系统释放的热量Q1等于系统吸取的热量与外界对系统所作功之和,即Q2 +A

         技术上利用对工作物质连续不断地作功以获得低温的装置,称为制冷机。逆循环所表示的能量转换情况,反映了制冷机的能量转换的基本过程。

    制冷系数是制冷机性能的一个重要标志,定义为

                            .                      (18-38)

由上式可见,制冷机制冷系数的大小,表示外界对制冷机作单位功时制冷机可以从低温物体所取走热量的多少。

       
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