什么叫卡诺循环?

添加时间:2008-01-30 原文发表:2008-01-30 人气:144

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卡诺循环是热力学中最理想的一种可逆循环。它以理想气体为工作物质，由两个等温过程和两个绝热过程所组成。这种循环过程是法国物理学家、工程师卡诺于1824年提出的。

(2)说明

①在整个循环过程中，理想气体经过一系列的状态变化以后，其内能不变，但要作功，并有热量交换。循环分为四个过程进行。在p-V图上用两条等温线和两条绝热线表示(如图)。图中曲线AB和CD是温度为T1和T2的两条等温线，曲线BC和DA是两条绝热线。我们讨论按p-V图上顺时针方向沿封闭曲线ABCDA进行的循环。(这种循环叫做正循界工作物质作正循环的机器叫做热机，它是把热转变为功的一种机器。)

第一过程：A→B，等温膨胀，Q1=EB-EA+w1；

第二过程：B→C，绝热膨胀，O=Ec-EB+W2；

第三过程：C→D等温压缩，-Q2=ED-EC-W3；

第四过程：D→A，绝热压缩，O=EA-ED-W4

把上面四式相加得 Q1-Q2=W1+W2-W3-W4=W0

式中Q是从高温热源吸收的热量，Q2是向低温热源放出的热量，W是理想气体(工作物质)对外所作的净功，在数值上等于p-V图上封闭曲线所包围的面积。

Q1-Q2=W。

上式表示，理想气体经过一个正循环，从高温热源吸收的热量Q1，一部分用于对外作功，另一部分则向低温热源放出(如图)。即热量Q1不能全部转换为功W，转换为功的只是Q1-Q2。通常把热机的热效率表示为ηt=W/ Q1=( Q1-Q2) / Q1=1- Q1/ Q2

由于Q2不可能等于零，所以热机热效率总是小于l，ηt常用百分比表示。

②卡诺从理论上进一步证明，在卡诺循环中，

等温膨胀时吸收的热量Ql=nRTl 1nV2/V1 (1)

等温压缩时放出的热量Q2=nRT2lnV3/V4， (2)

由绝热方程式TVγ-1=常量，可得T1 TV2γ-1= T2 TV3γ-1 (3)

T1 TV1γ-1= T2 TV4γ-1 (4)

式中的T表示高温热源的绝对温度，T表示低温热源的绝对温度。

公式表明：一切热机要完成一次循环，都必须有高温和低温两个热源。热机的热效率只和两个热源的温度有关，和工作物质无关。两个热源的温差愈大，热效率愈高，也就是从热源所吸收的热量的利用率愈大。要提高热效率必须提高高温热源的温度，或降低低温热源的温度。一般采取前者。公式为人们指出了一条提高热机效率的途径。

③卡诺循环也可以按p-V图的逆时针方向沿封闭曲线ADCBA进行，这种循环，叫做逆循环。在这个逆循环中，外界必须对这个从低温热源吸取热量的系统作功，只要将逆循环重复下去，就可以从低温热源中取出任意数量的热量。作逆循环的机器叫致冷机，它是利用外界作功获得低温的机器。
逆卡诺循环
它由两个等温过程和两个绝热过程组成。假设低温热源（即被冷却物体）的温度为T0，高温热源（即环境介质）的温度为Tk, 则工质的温度
在吸热过程中为T0，在放热过程中为Tk, 就是说在吸热和放热过程中工质与冷源及高温热源之间没有温差，即传热是在等温下进行的，压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行的。其循环过程为：
首先工质在T0下从冷源（即被冷却物体）吸取热量q0，并进行等温膨胀4-1，然后通过绝热压缩1-2，使其温度由T0升高至环境介质的温度Tk, 再在Tk下进行等温压缩2-3，并向环境介质（即高温热源）放出热量qk, 最后再进行绝热膨胀3-4，使其温度由Tk 降至T0即使工质回到初始状态4，从而完成一个循环。
对于逆卡诺循环来说，由图可知：

q0=T0(S1-S4）
qk=Tk(S2-S3)=Tk(S1-S4）
w0=qk-q0=Tk(S1-S4)-T0(S1-S4)=(Tk-T0)(S1-S4）
则逆卡诺循环制冷系数εk 为：
由上式可见，逆卡诺循环的制冷系数与工质的性质无关，只取决于冷源（即被冷却物体）的温度 T0 和热源（即环境介质）的温度 Tk；降低 Tk，提高 T0 ，均可提高制冷系数。此外，由热力学第二定律还可以证明：“在给定的冷源和热源温度范围内工作的逆循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最高”。任何实际制冷循环的制冷系数都小于逆卡诺循环的制冷系数。

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