热力学がく循环

热力学がく循环（英語えいご：thermodynamical cycle）是ぜ一いち系列けいれつ传递热量并做功こう的てき热力学がく过程组成的てき集合しゅうごう，通つう过压强、温度おんど等とう状じょう态变量的りょうてき变化，最さい终使热力学がく系けい统回かい到いた初はつ始はじめ状じょう态。状じょう态量只ただ依よ赖于热力学がく状じょう态，沿热力学りきがく循环路ろ径みち对此类物理ぶつり量的りょうてき路みち径みち积分结果为零；而像热量和かず功いさお这样的てき过程量りょう与あずか循环过程有ゆう关，路みち径みち积分不ふ为零。热力学がく第だい一いち定律ていりつ指出さしで在ざい一个循环中输入的净热量总等于输出的净功。过程可か重じゅう复的特性とくせい使し得とく系けい统能够被连续操作そうさ，从而热力学がく循环是ぜ热力学がく中ちゅう一いち个很重要じゅうよう的てき概念がいねん。在ざい实际应用中ちゅう，热力学がく循环经常被ひ看み作さく是ぜ一いち个准じゅん静せい态过程ほど并被当とう作さく实际热机和わ热泵的てき工作こうさく模型もけい。

一个热力学循环（斯特灵循环）的てきP－V图

在ざいP－V图上うえ热力学がく循环可か表示ひょうじ为一个闭合曲线，P－V图的Y轴表示ひょうじ压强，X轴表示ひょうじ体たい积，则闭合ごう曲きょく线所包つつみ围的面めん积等于过程ほど所しょ做的功こう$W\,$：

${\text{(1)}}\qquad W=\oint P\ dV$.

这个功こう在ざい数すう值上等とう于传入いれ系けい统的热量$Q\,$：

${\text{(2)}}\qquad W=Q=Q_{in}-Q_{out}$.

方かた程ほど（2）的てき表ひょう达式显示热力学がく循环类似于一个等温とうおん过程，不ふ过在循环过程中ちゅう系けい统的内うち能のう是ぜ变化的てき，只ただ是ぜ当とう每まい一次循环结束时系统内能会回到初始值。

如果循环过程在ざいP－V图上是ぜ沿顺时针方向ほうこう进行的てき，这个循环代表だいひょう着ぎ一いち个热机，此时的てき输出功こう是正ぜせい值；如果是ぜ沿逆时针方向ほうこう进行的てき，则它代表だいひょう这一个热泵，此时的てき输出功こう是ぜ负值。

概がい述じゅつ

两种主要しゅよう的てき热力学がく循环类型是ぜ热机循环和わ热泵循环。热机循环将はた输入的てき部分ぶぶん热量转化为输出で的てき机つくえ械功，而热泵循环通过输入いれ的てき机つくえ械功将はた热量从低温ていおん传向高温こうおん。完全かんぜん由よし准じゅん静せい态过程ほど组成的てき循环能のう够通过控制せい过程的てき流りゅう向こう来き作さく为热机つくえ或ある热泵循环使用しよう。在ざいP-V图或温ゆたか熵图上うえ，顺时针和逆ぎゃく时针方向ほうこう分ぶん别代表だいひょう着ぎ热机和わ热泵循环。

热机循环

热机图

主しゅ条目じょうもく：热机

热机循环是ぜ热机工作こうさく的てき基本きほん原理げんり，这种循环方式ほうしき为当前ぜん世界せかい上大かみおお部分ぶぶん的てき发电站提供ていきょう能のう量りょう来らい源げん，也为几乎所有しょゆう的てき机つくえ动车提供ていきょう动力。热机循环按照它们所しょ采さい用よう的てき热机模型もけい可か进一いち步ほ分ぶん类，内燃ないねん机つくえ中ちゅう最さい常つね见的热机循环是ぜ奥おく托たく循环（常つね称しょう做四よん冲程循环），柴しば油ゆ机つくえ中ちゅう最さい常つね见的是ぜ迪すすむ塞ふさが尔循环。外そと燃もえ机つくえ中ちゅう使用しよう的てき循环方式ほうしき还包括ほうかつ采さい用よう燃もえ气轮机つくえ方式ほうしき工作こうさく的てき布ぬの雷かみなり顿循环，以及采さい用よう汽轮机つくえ方式ほうしき工作こうさく的てき兰金循环。

箭や头指向しこう顺时针方向ほうこう的てき热力学がく循环表示ひょうじ这是一いち个热机つくえ循环。循环由よし四个热力学态（四よん个打叉また的てき点てん）和わ四个热力学过程（四条しじょう线段）构成。

这里在ざいP－V图上举例说明如何いか计算一个由四个热力学过程构成的热机循环所做的机械功：

${\text{(3)}}\qquad W=W_{1\to 2}+W_{2\to 3}+W_{3\to 4}+W_{4\to 1}$

$W_{1\to 2}=\int _{V_{1}}^{V_{2}}P\,dV,\,\,$ 系けい统做正せい功こう

$W_{2\to 3}=\int _{V_{2}}^{V_{3}}P\,dV,\,\,$ 当とう$V_{2}=V_{3}\,$时系统不做功

$W_{3\to 4}=\int _{V_{3}}^{V_{4}}P\,dV,\,\,$ 系けい统做负功

$W_{4\to 1}=\int _{V_{4}}^{V_{1}}P\,dV,\,\,$ 当とう$V_{4}=V_{1}\,$时系统不做功

在ざい过程4->1以及2->3中ちゅう，如果体たい积没有ゆう变化，则方程ほど（3）简化为

${\text{(4)}}\qquad W=W_{1\to 2}+W_{3\to 4}$

热泵循环和わ制せい冷ひや循环

主しゅ条目じょうもく：热泵

热泵循环和わ制せい冷ひや循环是ぜ热泵和わ冰箱的てき理り论模型がた。两者的てき差さ别在于热泵的用途ようと是ぜ保持ほじ一块区域的温度而冰箱则是使之降温。最さい常つね见的制せい冷ひや循环是ぜ采さい用よう制せい冷ひや剂的てき相あい变进行的てき蒸ふけ气压缩循环。吸收きゅうしゅう制せい冷ひや循环是ぜ另一种循环方式しき，它不将しょう制せい冷ひや剂气化か，而是将はた其吸收きゅうしゅう。气体制たいせい冷ひや循环包括ほうかつ逆ぎゃく向こう布ぬの雷かみなり顿循环和わ林はやし德いさお－汉普逊循环。

热力学がく循环的てき类型

理り论上一个热力学循环由三个或多个热力学过程组成（通常つうじょう为四个），这些过程可か以为：

• 等温とうおん过程 （温度おんど恒つね定じょう，即そく使つかい伴とも随ずい有ゆう吸热或ある放ひ热过程ほど）
• 等とう压过程ほど （压强恒つね定じょう）
• 等とう容よう过程 （体からだ积恒定じょう）
• 绝热过程 （系けい统与外界がいかい无热交换）
  • 等とう熵过程ほど（可逆かぎゃく绝热过程） （系けい统与外界がいかい无热交换，同どう时熵保持ほじ恒つね定じょう）
• 等とう焓过程ほど （焓保持ほじ恒つね定じょう）

典型てんけい的てき热力学がく循环包括ほうかつ

循环/过程	压缩	吸热	膨胀	放ひ热
外そと燃もえ机つくえ或ある热泵经常使用しよう的てき循环方式ほうしき
埃ほこり里さと克かつ森もり循环（第だい一いち类,1833年ねん提出ていしゅつ） 布ぬの雷かみなり顿循环	绝热	等とう压	绝热	等とう压
贝尔·科か曼循环 （逆ぎゃく向こう布ぬの雷かみなり顿循环）	绝热	等とう压	绝热	等とう压
卡诺循环	等とう熵（絕ぜっ熱ねつ）	等温とうおん	等とう熵（絕ぜっ熱ねつ）	等温とうおん
朗ろう肯循环（蒸ふけ汽机）	绝热	汽化	绝热	等とう容よう
斯特灵循环	等温とうおん	等とう容よう	等温とうおん	等とう容よう
埃ほこり里さと克かつ森もり循环（第だい二に类,1853年ねん提出ていしゅつ）	等温とうおん	等とう压	等温とうおん	等とう压
斯托达德循环	绝热	等とう容よう	绝热	等とう容よう
内燃ないねん机つくえ经常使用しよう的てき循环方式ほうしき
奥おく托たく循环	绝热	等とう容よう	绝热	等とう容よう
迪すすむ塞ふさが尔循环	绝热	等とう压	绝热	等とう容よう
布ぬの雷かみなり顿循环（喷气式しき）	绝热	等とう压	绝热	等とう压
勒努瓦かわら循环（脉冲喷气式しき）	等とう压	等とう容よう	绝热	等とう压

卡诺循环

主しゅ条目じょうもく：卡诺循环

卡诺循环由よし完全かんぜん可逆かぎゃく的まと等とう熵压缩和膨胀过程，以及伴とも随ずい有ゆう吸热和わ放ひ热的等温とうおん过程组成。卡诺循环的てき热机效率こうりつ只ただ依よ赖于发生热传递的两个热库的てき热力学がく温度おんど，对于一いち个循环周期き，卡诺热机的てき效率こうりつ为

$\eta =1-{\frac {T_{L}}{T_{H}}}$

其中${T_{L}}$是ぜ循环过程中ちゅう的てき最低さいてい温度おんど（低温ていおん热库的てき温度おんど），${T_{H}}$是ぜ最高さいこう温度おんど（高温こうおん热库的てき温度おんど）。对于卡诺制せい冷ひや循环，热泵的てき性能せいのう系けい数すう为

$\ COP=1+{\frac {T_{L}}{T_{H}-T_{L}}}$

对于一いち个制冷ひや机つくえ，性能せいのう系けい数すう为

$\ COP={\frac {T_{L}}{T_{H}-T_{L}}}$

热力学がく第だい二に定律ていりつ指出さしで，任にん何なん热力学がく循环设备的てき效率こうりつ和わ性能せいのう系けい数すう都と不可能ふかのう高だか于卡诺循环的效率こうりつ。

理想りそう循环

一个理想热机的循环示意图（箭や头指向しこう顺时针方向ほうこう）

一个理想热机的循环由下面过程组成：

1. 循环路ろ径みち的てき上じょう边和下か边：平行へいこう的てき等とう压过程ほど
2. 循环路ろ径みち的てき左ひだり边和右みぎ边：平行へいこう的てき等とう容よう过程

奥おく托たく循环

主しゅ条目じょうもく：奥おく托たく循环

一个奥托循环由下面过程组成：

1. 循环路ろ径みち的てき上じょう边和下か边：一いち对准平行へいこう的てき绝热过程
2. 循环路ろ径みち的てき左ひだり边和右みぎ边：一いち对平行へいこう的てき等とう容よう过程

斯特灵循环

主しゅ条目じょうもく：斯特灵循环

斯特灵循环和奥おく托たく循环相似そうじ，但ただし绝热过程被ひ替がえ换为等温とうおん过程：

1. 循环路ろ径みち的てき上じょう边和下か边：一对准平行的等温过程
2. 循环路ろ径みち的てき左ひだり边和右みぎ边：一对平行的等容过程

状じょう态函数すう和わ熵

如果$Z\,$是ぜ一个热力学的状态函数，则$Z\,$经过一个热力学循环后保持不变：

$\oint dZ=0$.

熵作为一个状态函数すう，定てい义为

$S={Q \over T}$

从而有ゆう

$\Delta S={\Delta Q \over T}$,

可か见对于任意にんい循环过程都みやこ有ゆう

$\oint dS=\oint {dQ \over T}=0$

意味いみ着ぎ经过一个循环系统的熵增为零。

参考さんこう文献ぶんけん

• Halliday, Resnick & Walker. Fundamentals of Physics, 5th edition. John Wiley & Sons, 1997. Chapter 21, Entropy and the Second Law of Thermodynamics.
• Walter Greiner; Ludwig Neise, Horst Stöcker. Thermodynamics and Statistical Mechanics. Springer. 2008-05-23 [2009-07-18]. ISBN 978-0387942995. （原始げんし内容ないよう存そん档于2019-05-02） （英えい语）. 

参まいり见

• 卡诺循环
• 奥おく托たく循环
• 熵
• 热机

外部がいぶ链接

• 热力学がく循环模も拟软件けん （页面存そん档备份，存そん于互联网档案あん馆）