第四章1 制冷与低温的热力学基础

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1、第四章第一节制冷与低温的热力学基础一制冷与低温原理的热力学基础二制冷与低温工质三制冷技术与学科交叉制冷工艺过程：现代的制冷技术最普遍的方法是消耗机械功来制冷。①压缩机先把制冷工质(可以是氨、氟里昂、空气、氢气、氦气或其它气体)压缩；②用冷却水或风冷把压缩气体的发热带走；③经换热器预冷后的压缩气体工质，再经膨胀机膨胀降温制冷或通过节流阀降温。例如：①用氨作为制冷工质，最冷能达到零下33.5℃；②用氟里昂-14最低能达零下128℃；③用氦气作为制冷工质可以达到零下271℃。最低温度是以制冷工质的凝固点为限。历史回顾：①1823年英国科学家法拉第采用加压与冷却方法液化了二氧化碳；②1877年利用同样

2、方法使氧气液化；③1885年德国科学家林德利用气体的狭口膨胀效应发展制冷技术，达到零下190℃使空气液化；④随后又实现了氮气和氢气的液化；⑤1908年荷兰科学家荷兰科学家卡曼林-昂内斯液化了温度最低的氦气。随着科学技术的发展，出现了其它制冷方法，诸如半导体温差制冷、涡流管制冷、吸收式制冷、脉冲管制冷、太阳能光-电转换制冷和光-热转换制冷等等；在极低温领域，还有3He-4He的稀释制冷(可达绝对温度10-3K)；顺磁盐绝热去磁制冷(可达10-3K温度)和核去磁制冷(可达到10-6-10-8K低温)等方法。一制冷与低温原理的热力学基础自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不可能被消灭；

3、但能量可以从一种形态转变为另一种形态，且在能量的转化过程中能量的总量保持不变。能量守恒与转换定律是自然界基本规律之一。4.1.1热力学基础1.热力学第一定律——能量守恒与转化用符号U表示，单位是焦耳（J）热力学能1kg物质的热力学能称比热力学能用符号u表示，单位是焦耳/千克（J／kg）比热力学能热力学能热力学能和总能热力状态的单值函数。两个独立状态参数的函数。状态参数，与路径无关。工质的总能内部储存能外部储存能热力学能动能势能E－总能，Ek－动能Ep－势能E=U+Ek+Ep(1-2)内部储存能和外部储存能的和，即热力学能与宏观运动动能及势能的总和。若工质质量m，速度cf，重力场中高度z宏观动能

4、重力势能工质的总能(1-3)能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式作功借作功来传递能量总和物体宏观位移有关。传热借传热来传递能量无需物体的宏观移动。推动功因工质在开口系统中流动而传递的功。对开口系统进行功的计算时需要考虑这种功。推动功只有在工质移动位置时才起作用。力学参数cf和z只取决于工质在参考系中的速度和高度2.能量的传递和转化(1-4)比总能研究与热现象相关的各种过程进行的方向、条件及限度的定律。热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体；1.制冷循环的热力学分析热力学循环正向循环热能转化为机械功逆向循环消耗功循环当中，除了一二个不可避免的不可逆过程外，其余均为可逆过程。可逆循环是

5、理想循环。理想循环2.热力学第二定律克劳修斯表述：热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。相应的经验事实有，当两个不同温度的物体相互接触时，热量将由高温物体向低温物体传递，而不可能自发地由低温物体传到高温物体。如果借助制冷机，当然可以把热量由低温传递到高温，但要以外界作功为代价，也就是引起了其他变化。克氏表述指明热传导过程是不可逆的。开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的功而不产生其他影响。相应的经验事实有，功可以完全变热，但要把热完全变为功而不产生其他影响是不可能的。如，利用热机，但实际中热机的循环除了热变功外，还必定有一定的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其

6、它效果。热全部变为功的过程也是有的，如，理想气体等温膨胀。但在这一过程中除了气体从单一热源吸热完全变为功外，还引起了其它变化，即过程结束时，气体的体积增大了。克氏表述指明热传导过程是不可逆的。开尔文表述指明功变热的过程是不可逆的。热力学第二定律涉及的温度为热力学温度(K)T=273.16+t熵是热力学状态参数，是判别实际过程的方向，提供过程能否实现、是否可逆的判据。定义式qrev是可逆过程的换热量，T为热源温度可逆过程1-2的熵增克劳修斯积分ᆖ0可逆循环＜0不可逆循环＞0不可能实行的循环p、T状态下的熵定义为：2.热源温度不变时的逆向可逆循环——逆卡诺循环当高温热源和低温热源随着过程的进行，温

7、度不变时，具有两个可逆的等温过程和两个等熵过程组成的逆向循环。在相同温度范围内，它是消耗功最小的循环，即热力学效率最高的制冷循环，因为它没有任何不可逆损失。①A－B等温膨胀，同时吸热，维持制冷剂温度恒定②B－C绝热膨胀，同时放热，工质从热源温度Th到冷源温度Tc③C－D等温压缩，同时放热，同时工质做负功以使制冷剂维持一定的温度④D－A制冷剂从冷源温度可逆绝热压缩到热源温度卡诺制冷机是热力学理想的等