迴圈過程

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介紹

讓我們取一個裝有空氣的容器，並開始加熱該容器。假設空氣的初始溫度和壓力分別為 25°C 和 1 個大氣壓。加熱一段時間後，空氣的溫度將變為 100°C，壓力將變為 2 個大氣壓。因此，空氣的溫度和壓力告訴我們此時空氣的狀態。而溫度和壓力是定義或確定空氣狀態的熱力學變數。

因此，我們可以說任何熱力學系統的狀態都可以用熱力學變數來指定，即它的壓力、溫度、體積、摩爾數。變數可以是廣延的或強烈的。

現在，當我們加熱裝有空氣的容器時，它的狀態從 25°C 和 1 個大氣壓變為 100°C 和 2 個大氣壓。但這不會突然發生，它需要一些時間。在最終狀態和初始狀態之間，它經歷了無限多個狀態。如果定義每個狀態，那麼我們將所有這些狀態連線起來。

熱力學過程

透過熱力學變數（如壓力、體積、溫度、摩爾數等）的變化而引起的系統狀態變化的過程稱為**熱力學過程**。

這隻有在整個過程中空氣的壓力保持不變的情況下才有可能。讓我們假設空氣的初始壓力、溫度和體積分別為 1 個大氣壓、27°C（環境溫度）和 1 m³，加熱後，最終壓力、溫度和體積將分別為 1 個大氣壓、50°C 和 2 m³。現在移除燃燒器後，空氣開始冷卻，溫度和體積下降。一段時間後，空氣的狀態將與環境相同，即 1 個大氣壓、27°C（環境溫度）和 1 m³。因此，我們可以說空氣恢復到其初始狀態。

一些重要的過程如下所示：

• 等溫過程
• 絕熱過程
• 等壓過程
• 等容過程
• 迴圈過程和非迴圈過程
• 可逆過程和不可逆過程

在本教程中，我們將詳細研究迴圈過程及其特性。讓我們開始學習迴圈過程。

迴圈過程

迴圈過程是指過程的初始狀態和最終狀態相同的過程。

讓我們用一個例子來理解這個說法。

假設我們有一個活塞氣缸裝置，其中包含空氣，如圖所示

• 使用燃燒器加熱活塞氣缸裝置的底部，並假設所有熱量都用於活塞的向上運動和空氣的溫度升高。

圖片即將推出

圖 1

是的，兩種過程獲得的路徑可能不同，但在迴圈過程中，初始狀態和最終狀態相同。

迴圈過程和狀態函式

正如我們所學，狀態函式是不依賴於路徑而僅依賴於初始狀態和最終狀態的函式。它也稱為點函式。狀態函式最好的例子之一是內能。因此，內能 (U) 僅取決於初始狀態和最終狀態。

現在，我們知道在迴圈過程中，初始狀態和最終狀態將相同。因此，在迴圈過程中，內能變化 (ΔU) 將為零。

因此，(ΔU) = 0

現在我們知道根據熱力學第一定律：

ΔQ = ΔU + W …… (1)

其中，ΔQ = 熱能變化

W = 功

現在如果 (ΔU) = 0，那麼我們可以將公式 (1) 寫成：

ΔQ = W …… (2)

因此，從公式 (2) 可以看出，對於迴圈過程，總熱能轉換為所做的功。

迴圈過程中的功

眾所周知，可以透過計算過程和包含體積作為變數的軸在 PV 圖（即壓力-體積圖）上包圍的面積來計算所做的功。因此，在閉合路徑的情況下，功將是 PV 圖上閉合路徑包圍的面積。因此，對於迴圈過程，所做的功也是閉合路徑的面積。由於迴圈過程中的功和熱交換相等，因此該面積也表示熱交換。

此外，如果迴圈遵循順時針路徑，則所做的功將為正，即系統完成功。但如果迴圈遵循逆時針路徑，則所做的功將為負，即對系統做功，如圖 2 所示。

圖片即將推出

圖 2

卡諾迴圈

迴圈過程的一個非常著名的例子是**卡諾迴圈**。卡諾迴圈由四個過程組成，即

• 可逆等溫膨脹

• 可逆絕熱膨脹

• 可逆等溫壓縮

• 可逆絕熱壓縮。

藉助這四個過程，卡諾迴圈完成，如圖 3 所示。

圖片即將推出

圖 3

結論

可以得出結論，迴圈過程是可逆過程，但反之則不然，即並非所有可逆過程都是迴圈過程。

常見問題

Q1. 什麼是迴圈過程？

答：迴圈過程是指過程的初始狀態和最終狀態相同的過程。

Q2. 舉一些熱力學過程的例子。

答：熱力學過程的一些例子是：

• 等溫過程
• 絕熱過程
• 等焓過程
• 等壓過程

Q3. 理想氣體在迴圈過程中的內能變化是多少？

答：對於理想氣體，在迴圈過程中，內能變化將為零。

Q4. 如何計算迴圈過程中的功？

答：迴圈過程中的功將是 PV 圖上閉合路徑包圍的面積。

Q5. 舉一個迴圈過程的例子。

答：卡諾熱機是迴圈過程的最佳例子之一。