卡诺循环(Carnotcycle)是只有两个热源(一个高温热源温度T1和一个低温热源温度T2)的简单循环。
由于工作物质只能与两个热源交换热量,所以可逆的卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成。
卡诺循环包括四个步骤:
等温吸热,绝热膨胀,等温放热,绝热压缩。
即理想气体从状态1(P1,V1,T1)等温吸热到状态2(P2,V2,T2),再从状态2绝热膨胀到状态3(P3,V3,T3),此后,从状态3等温放热到状态4(P4,V4,T4),最后从状态4绝热压缩回到状态1。
1.第一过程:
等熵压缩,公式为W1=-Q1=mCv(T1-T2);
2.第二过程:
等温膨胀,公式为Q2=W2=mR(T3-T2)ln(V3/V2);
3.第三过程:
等熵膨胀,公式为W3=-Q3=mCv(T3-T4);
4.第四过程:
等温压缩,公式为Q4=W4=mR(T4-T1)ln(V4/V1)。
其中,m为工质质量,Cv为定容热容,R为气体常数,T为温度,V为体积,W为功,Q为热量。
首先需要知道:
逆卡诺循环是一种理想的循环,实际上是实现不了的,实际的制冷循环是基于逆卡诺循环做出改进的。
为了便于理解,我用实际的制冷循环(用家用空调举例)描述逆卡诺循环。
其次需要知道:
冷凝放热、蒸发吸热。
1-2过程通过压缩机压缩提高温度;
2-3过程通过冷凝器将热量放出(因为是冷凝过程所以温度不变);
3-4过程通过膨胀机(实际用的是节流阀)做功温度降低、压力降低;
4-1过程通过蒸发器将热量吸收(因为是蒸发过程所以温度不变)。
我们的家用空调主要就是用4-1过程中蒸发器吸收室内的热量,使室内降温,再通过2-3的冷凝器将热量放出至室外。
有人可能会问,为什么不直接把1点直接处理到4点,再吸热呢,就像冰块那样化成水了再冻成冰不就行了吗。
因为冻成冰也需要冷量啊,这个冷量又需要制冷了,有没有能通过容易获得的能源制冷呢?这就需要逆卡诺循环,通过压缩机做功作为驱动力将吸热后的制冷剂(1点)“搬运”至2点(高于环境温度,可以向环境放热),然后把热量放出去,再降压,它又神奇的变成了4点(低于需要制冷部位的温度,可吸收其热量)的状态又可以吸热了。
即是通过消耗能量来实现制冷。