循环过程

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介绍

让我们取一个装有空气的容器，并开始加热该容器。假设空气的初始温度和压力分别为 25°C 和 1 个大气压。加热一段时间后，空气的温度将变为 100°C，压力将变为 2 个大气压。因此，空气的温度和压力告诉我们此时空气的状态。而温度和压力是定义或确定空气状态的热力学变量。

因此，我们可以说任何热力学系统的状态都可以用热力学变量来指定，即它的压力、温度、体积、摩尔数。变量可以是广延的或强烈的。

现在，当我们加热装有空气的容器时，它的状态从 25°C 和 1 个大气压变为 100°C 和 2 个大气压。但这不会突然发生，它需要一些时间。在最终状态和初始状态之间，它经历了无限多个状态。如果定义每个状态，那么我们将所有这些状态连接起来。

热力学过程

通过热力学变量（如压力、体积、温度、摩尔数等）的变化而引起的系统状态变化的过程称为**热力学过程**。

这只有在整个过程中空气的压力保持不变的情况下才有可能。让我们假设空气的初始压力、温度和体积分别为 1 个大气压、27°C（环境温度）和 1 m³，加热后，最终压力、温度和体积将分别为 1 个大气压、50°C 和 2 m³。现在移除燃烧器后，空气开始冷却，温度和体积下降。一段时间后，空气的状态将与环境相同，即 1 个大气压、27°C（环境温度）和 1 m³。因此，我们可以说空气恢复到其初始状态。

一些重要的过程如下所示：

• 等温过程
• 绝热过程
• 等压过程
• 等容过程
• 循环过程和非循环过程
• 可逆过程和不可逆过程

在本教程中，我们将详细研究循环过程及其特性。让我们开始学习循环过程。

循环过程

循环过程是指过程的初始状态和最终状态相同的过程。

让我们用一个例子来理解这个说法。

假设我们有一个活塞气缸装置，其中包含空气，如图所示

• 使用燃烧器加热活塞气缸装置的底部，并假设所有热量都用于活塞的向上运动和空气的温度升高。

图片即将推出

图 1

是的，两种过程获得的路径可能不同，但在循环过程中，初始状态和最终状态相同。

循环过程和状态函数

正如我们所学，状态函数是不依赖于路径而仅依赖于初始状态和最终状态的函数。它也称为点函数。状态函数最好的例子之一是内能。因此，内能 (U) 仅取决于初始状态和最终状态。

现在，我们知道在循环过程中，初始状态和最终状态将相同。因此，在循环过程中，内能变化 (ΔU) 将为零。

因此，(ΔU) = 0

现在我们知道根据热力学第一定律：

ΔQ = ΔU + W …… (1)

其中，ΔQ = 热能变化

W = 功

现在如果 (ΔU) = 0，那么我们可以将公式 (1) 写成：

ΔQ = W …… (2)

因此，从公式 (2) 可以看出，对于循环过程，总热能转换为所做的功。

循环过程中的功

众所周知，可以通过计算过程和包含体积作为变量的轴在 PV 图（即压力-体积图）上包围的面积来计算所做的功。因此，在闭合路径的情况下，功将是 PV 图上闭合路径包围的面积。因此，对于循环过程，所做的功也是闭合路径的面积。由于循环过程中的功和热交换相等，因此该面积也表示热交换。

此外，如果循环遵循顺时针路径，则所做的功将为正，即系统完成功。但如果循环遵循逆时针路径，则所做的功将为负，即对系统做功，如图 2 所示。

图片即将推出

图 2

卡诺循环

循环过程的一个非常著名的例子是**卡诺循环**。卡诺循环由四个过程组成，即

• 可逆等温膨胀

• 可逆绝热膨胀

• 可逆等温压缩

• 可逆绝热压缩。

借助这四个过程，卡诺循环完成，如图 3 所示。

图片即将推出

图 3

结论

可以得出结论，循环过程是可逆过程，但反之则不然，即并非所有可逆过程都是循环过程。

常见问题

Q1. 什么是循环过程？

答：循环过程是指过程的初始状态和最终状态相同的过程。

Q2. 举一些热力学过程的例子。

答：热力学过程的一些例子是：

• 等温过程
• 绝热过程
• 等焓过程
• 等压过程

Q3. 理想气体在循环过程中的内能变化是多少？

答：对于理想气体，在循环过程中，内能变化将为零。

Q4. 如何计算循环过程中的功？

答：循环过程中的功将是 PV 图上闭合路径包围的面积。

Q5. 举一个循环过程的例子。

答：卡诺热机是循环过程的最佳例子之一。