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热力学

热机:把热变成功的循环

取得 QH,输出功 W,排出 QC。循环给出 QH = W + QC,效率 η = W/QH = 1 - QC/QH

热机从高温热源取得热 QH,把其中一部分变成功 W,再把余下的 QC 排向低温热源。它循环运转,每一圈都回到起点,所以净功就是吸入的热减去丢弃的热。

拖动设定吸入的热中有多少变成功。其余的排向低温热源。真实的汽车发动机或发电厂也只把燃料热量的约三分之一变成功,其余作为高温尾气和冷却水散失。

热机沿 P-V 平面上的一条闭合回路运转。回路围出的面积就是每个循环的净功。只有沿顺时针方向绕行时净功才为正,反过来绕就成了需要输入功的制冷机。

转完一个循环,气体回到出发状态,内能变化为零,于是 QH = W + QC。内能是只由状态决定的量,所以无论走哪条路径,只要回到同一状态,它的净变化就必然为零。拖动把吸热分成功和排热。

效率是 η = WQH = 1 - QCQH。效率只取决于排热 QC 与吸热 QH 之比,所以减少排向冷侧的热是提高效率的唯一途径。切换预设,比较弱热机和强热机。

逐个突出这三个流动。因为总有热必须经 QC 流走,效率始终小于1。原因留到下一章的第二定律。正因为这份必须排掉的 QC,发电厂才建在河边或巨大的冷却塔旁,不停地把废热排走。

实际应用总结一下:热机是一种循环装置,从高温热源取得 QH,输出功 W,再把 QC 排向低温热源。转完一圈内能回到原处,所以 QH = W + QC,而净功等于 P-V 回路所围的面积。效率 η = WQH = 1 - QCQH 始终小于1,因为 QC 永远不可能为零。下一章将用第二定律精确地钉住这个极限,并走向效率最高的卡诺循环。
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