(7- 26)
循环过程 卡诺循环
可见，制冷系数表示对系统做单位功时可从低温热源 吸走多少热量.显然，ε越大，制冷机的制冷效果就越好.
同样，式（7- 26）中的各个量都只代表大小.需要注意 的是，热机的效率总是小于1的，而制冷机的制冷系数则往 往是大于1的.在掌握效率和制冷系数的公式时，应该注意两 者在定义时有一个共同的特点，那就是都把人们所获取的效 益放在分子上，而付出的代价则放在分母上.
循环过程 卡诺循环
二、 卡诺循环
从19世纪起，蒸汽机在工业、交通运输中的 应用越来越广泛.但是蒸汽机的效率很低，只有3% ～5%，这就意味着95%以上的热量都没有得到利 用.虽然人们在结构上不断加以改进，尽量减少漏 气、散热、摩擦等因素的影响，但热机效率也只 有微小的提高.在生产需求的推动下，许多科学家 和工程师开始从理论上来研究热机的效率问题.
热量交换的情况是：系统在膨胀过程abc中内能增加，因 而将从高温热源吸收热量Q1；在压缩过程cda中内能减小，因 而将向低温热源放出热量Q2，在整个循环过程中，系统吸收的 净热量Q=Q1－Q2．因为一次循环中内能的增量ΔE=0，所以由 热力学第一定律可得
Q1－Q2=W 即系统吸收的净热量等于它对外界所做的净功. 对上式进行变形，可得
图7- 9 循环过程
循环过程 卡诺循环
因为系统(工作物质)的内能是状态的单值函数，所以每完成一 次循环，系统的内能保持不变，即dE＝0，这是循环过程的基本特 征.按过程进行的方向，可以把循环过程分为两类.在p- V图上，若 循环是沿顺时针方向进行的，则称为正循环；相反，若循环是沿逆 时针方向进行的，则称为逆循环.正循环代表热机的工作过程，蒸 汽机、内燃机等热机的工作过程都可以抽象为一个正循环过程；逆 循环代表制冷机的工作过程，冰箱、空调等制冷机的工作过程都可 以抽象为一个逆循环过程.
循环过程 卡诺循环
1. 热机 热机效率
图7- 10(a)所示的abcda为一个正循环过程.在膨胀过程abc中，系统 对外界做功W1，其数值等于曲线abc下的面积；在压缩过程cda中，外界 对系统做功W2，其数值等于曲线cda下的面积.
图7- 10 正循环过程（a）p- V图 （b）能流图
循环过程 卡诺循环
Q1=W+Q2
循环过程 卡诺循环
热机效率是热机循环的一个重要的性能指标，它定义为：在一
次循环过程中，系统对外界所做的净功W与从高温热源吸收的热量
Q1的比值，用η来表示，即
(7- 25)
可见，热机效率表示系统从高温热源吸收的热量Q1中究竟有多 大比例转化为对外输出的有用功.
注意，式(7- 25)中的各个量都只代表大小.对于不止一个吸热或
卡诺循环
循环过程 卡诺循环
在历史上，热力学理论的发展是与热机的工作过程密切 联系在一起的.所谓热机，就是利用某种物质不断地把吸收的 热量转换为机械功的装置，如蒸汽机、内燃机、汽轮机等.在 热机中被用来吸收热量并对外做功的物质称为工作物质，简 称工质.
由前面的学习可知，要实现热功转换并不困难.例如，在 理想气体的等温膨胀过程中，气体吸收的热量全部转换成了 机械功.从表面上看，这个过程是最有利的，热功转换的效率 达到了100%．
放热过程的循环来说，Q1表示整个循环过程中吸收热量的总和，Q2 表示整个循环过程中放出热量的总和.由于吸收的热量Q1不能全部转 变为有用功，因此热机的效率永远小于1．
循环程 卡诺循环
热能是当今世界的主要能源，热机是实现将热能 转化为机械能的主要设备.一般常用的蒸汽机、内燃机 等，都是利用不同的正循环过程不断地将热量通过内 能再转换为功的，它们的构造虽然不同，但工作原理 却是相同的.对于热机，在实践中和理论上，人们都很 关注它的效率.不同种类的热机的工质不同，组成循环 的分过程也不同，所以热机的效率往往是不同的.
显然，要想连续地进行这种热功转换，必须使工作物 质能够从它做功后的状态再回到原来的初始状态，并且能 重复进行下去.为了研究热机的工作过程，我们引入循环过 程的概念.
循环过程 卡诺循环
一、 循环过程
系统从某一状态出发，经过一 系列状态变化过程以后，又回到初始 状态的整个过程，称为循环过程，简 称循环.循环一般由多个不同的分过 程组成，如果每个分过程都是准静态 过程，在p- V图上可用一条闭合曲 线来表示，如图7- 9中的abcda就表 示一个准静态循环过程,其中箭头表 示过程进行的方向.
循环过程 卡诺循环
图7- 11 逆循环过程（a）p- V图 （b）能流图
循环过程 卡诺循环
完成一次循环，系统的内能保持不变，即ΔE=0，所以由热力学
第一定律可得
Q2－Q1=－W 则外界对系统所做的净功为
从而
W=Q1－Q2
Q1=Q2+W 上式表明，逆循环过程中向高温热源放出的热量等于系统从
低温热源吸收的热量与外界对系统所做的净功之和，即逆循环是在外
循环过程 卡诺循环
但是，只靠单一的等温膨胀过程无法连续地把热能转 换为机械能，也就无法构成实用的热机.因为气缸的长度总 是有限的，气体不可能无限制地膨胀下去；即使不切实际 地把气缸做得无限长，但随着过程的进行，气体的体积越 来越大，压强则越来越小，当气体的压强减小到与外界压 强相等时，气体就无法再对外做功了.
界对系统做功的条件下，使热量由低温热源向高温热源传递，从而使
低温热源的温度降低，达到制冷的效果.这就是制冷机的工作原理，
其能流图如图7- 11(b)所示.
循环过程 卡诺循环
由于制冷机的目的是从低温热源吸收热量，而实现该目的要 以外界对系统做功为代价，因此，最佳的制冷机应该是消耗最少 的功W，从低温热源吸收最多的热量Q2．因此，用来衡量制冷机 性能的制冷系数ε定义为：在一次循环中，系统从低温热源吸收的 热量Q2与外界对系统所做的净功W之比，即
循环过程 卡诺循环
2. 制冷机 制冷系数
制冷机的工作过程与热机相反，如图7-11(a)所示的 adcba就是代表制冷机工作过程的一个逆循环.由图可以看出 ，系统在adc过程中内能在增加，同时对外做功，因而将从 低温热源吸收热量Q2；系统在cba过程中内能在减少，同时 外界对系统做功，因而将向高温热源放出热量Q1．在整个循 环过程中，系统吸收的净热量Q=Q2－Q1，而系统对外界所 做的净功为负值，这表明是外界对系统做净功W，其数值仍 等于闭合曲线所包围的面积.