制冷与低温的热力学基础

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1、术1.1.1制冷与低温原理的热力学基础制冷1.热力学第一定律原Ø自然界中的一切物质都具有能量，能量不理可能被创造，也不可能被消灭；但能量可以从与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。技Ø能量守恒与转换定律是自然界基本规律之一。热力学能和总能热力学能术制Ø用符号U表示，单位是焦耳（J）冷比热力学能Ø1kg物质的热力学能称比热力学能原Ø用符号u表示，单位是焦耳/千克（J／kg）理与热力状态的单值函数。技热力学能状态参数，与路径无关。两个独立状态参数的函数。内部储存能热力学能总能动能外部储存能

2、位能术制工质的总储存能冷Ø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位能的总和。原ØE－总能，E－动能E－位能kp理E=U+Ek+Ep(1-2)与若工质质量m，速度c，重力场中高度zf技12宏观动能Emc重力位能Emgzkfp212工质的总能EUmcmgz(1-3)f212比总能eucgz(1-4)f2力学参数c和z只取决于工质在参考系中的速度和高度f术制2.能量的传递和转化冷能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式原Ø作功借作功来传递能量总和物体宏观位移有关。理Ø传热与借传热来传递能量

3、无需物体的宏观移动。技推动功Ø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。术制冷原理与图1-1a所示为工质经管道进入气缸的过程。技工质状态参数p、v、T，用p-v图中点C表示。工质作用于面积A的活塞上的力为pA，工质流入气缸时推动活塞移动距离l，作功pAl=pV=mpv。m表示进入气缸的工质质量，这一份功叫做推动功。1kg工质的推动功等于pv如图中矩形面积所示。术制冷原理与图1-1b所示考察开口系统和外界之间功的交换。取一开口系统，1kg工质从截

4、面1-1流入该热力系，技工质带入系统的推动功pv，作膨胀功由状态1到2，再11从截面2-2流出，带出系统的推动功为pv。22(pv)pvpv是系统为维持工质流动所需的功，2211称为流动功3．焓焓Ø用符号H表示，单位是焦耳（J）术制ØH=U+pV(1-5)比焓冷Ø用符号h表示，单位是焦耳/千克（J／kg）原Øhupv(1-6)理与焓是一个状态参数。技焓也可以表示成另外两个独立状态参数的函数。如：h=f(T,v)或h=f(p,T);h=f(p,v)2hhdhhh(1-9)1a21b21

5、214．热力学第一定律的基本能量方程式进入系统的能量-离开系统的能量=系统中储存能量的增加术(1-10)制冷4.1闭口系统的能量平衡原工质从外界吸热Q后从状态1变化到2，对外作功W。若工质宏观动能和位能的变化忽略不计，则理工质储存能的增加即为热力学能的增加ΔU与热力学第一定律的解析式技QWUUUQUW(1-11)21Ø加给工质的热量一部分用于增加工质的热力学能储存于工质内部，余下一部分以作功的方式传递至外界。术制对微元过程，第一定律解析式的微分形式冷QdUW(1-12a)原理对于1kg工质，

6、quw(1-12b)与qduw(1-12c)技Ø式(1-12)对闭口系普遍适用，适用于可逆过程也适用于不可逆过程，对工质性质也无限制。热量Q系统吸热Q+功W代数值系统对外作功W+热力学能变量ΔU系统热力学能增大ΔU+术制可逆过程WpdV冷2QdUpdV,QUpdV(1-13)1原2qdupdv,qupdv(1-14)1理完成一循环后，工质恢复原来状态dU0与QW(1-15)技Ø闭口系完成一循环后，循环中与外界交换的热量等于与外界交换的净功量QWnetne

7、tqnetwnet(1-16)4.2开口系统的能量平衡图1-2开口系统流动过程中的能量平衡术制冷原理与图示开口系统，dτ时间内，质量m(体积为dV)的微11元工质流入截面1-1，质量m(体积为dV)的微元工质流出技222-2，系统从外界得到热量Q，对机器设备作功Wi。过程完成后系统内工质质量增加dm,系统总能增加dECV由系统能量平衡的基本表达式有dEpdVQ(dEpdVW)dE(1-17)111222iCV由E=me,V=mv,h=u+pv,得1212QdE(hcgz)m(

8、hcgz)mWCV2f2221f111i22(1-19)术dEmm稳定流动CVinout制0,ddd冷mm12系统只有单股流体进出，qm1qm2qmdd原12qhcgzw(1-21)理fi2与12(1-22)微量形式qdhdcfgdzwi2技当流入质量为m的流体时，稳定流动能量方程1212