制冷方法-熱力學基礎(chǔ)(學時)

1、制冷的基本熱力學原理制冷的基本熱力學原理狀態(tài)參數(shù)中比容、壓力、溫度是可由儀表直接測狀態(tài)參數(shù)中比容、壓力、溫度是可由儀表直接測量得到的參數(shù)，稱作基本狀態(tài)參數(shù)。量得到的參數(shù)，稱作基本狀態(tài)參數(shù)。一、基本狀態(tài)參數(shù)一、基本狀態(tài)參數(shù)1.比容比容 (v，m3/kg)單位質(zhì)量工質(zhì)所占有的體積；單位質(zhì)量工質(zhì)所占有的體積；比容和密度之間互為倒數(shù)。比容和密度之間互為倒數(shù)。2.壓力壓力(p，單位，單位Pa)單位面積上所承受的垂直作用力；單位面積上所承受的垂直作用力；分子運動撞擊在單位面積上呈現(xiàn)的平均作用力；分子運動撞擊在單位面積上呈現(xiàn)的平均作用力；工程上常用的單位：工程上常用的單位： 兆帕兆帕(1MPa=106Pa)

2、；巴；巴(1bar=105 Pa)； 標準大氣壓標準大氣壓(1atm=100000Pa)3.溫度溫度描述系統(tǒng)冷、熱狀況的狀態(tài)參數(shù)描述系統(tǒng)冷、熱狀況的狀態(tài)參數(shù)標志物體內(nèi)部分子無序運動的劇烈程度標志物體內(nèi)部分子無序運動的劇烈程度溫度的高低通常用溫標來表示溫度的高低通常用溫標來表示 常用的溫標有：常用的溫標有： (1)熱力學熱力學絕對溫標絕對溫標（熱力學溫度或絕對溫度）：（熱力學溫度或絕對溫度）： (符號為符號為T，單位為，單位為K)。 (2)攝氏溫標攝氏溫標： 符號為符號為t、單位、單位。 (3)熱力學溫標的關(guān)系熱力學溫標的關(guān)系 t()=T(K)-273.15 另外常用的溫標還有另外常用的溫標還有

3、華氏華氏溫標和溫標和朗肯朗肯溫標。溫標。 一個不受外界影響的系統(tǒng)，無論初始狀態(tài)如何，經(jīng)過充分長時間后，一個不受外界影響的系統(tǒng)，無論初始狀態(tài)如何，經(jīng)過充分長時間后，必將達到這樣一種狀態(tài)必將達到這樣一種狀態(tài): : 系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間變化，即達到平衡狀態(tài)。系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間變化，即達到平衡狀態(tài)。二、平衡狀態(tài)二、平衡狀態(tài)1.定義定義 沒有外界作用的條件下，系統(tǒng)的沒有外界作用的條件下，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)宏觀性質(zhì)不隨時間不隨時間而變化的狀態(tài)。而變化的狀態(tài)。2.實現(xiàn)條件實現(xiàn)條件 對于一個狀態(tài)可以自由變化的熱力系，如果系統(tǒng)內(nèi)對于一個狀態(tài)可以自由變化的熱力系，如果系統(tǒng)內(nèi)以及系統(tǒng)與外界的一切以及系統(tǒng)與外界的一

4、切不平衡勢差不平衡勢差均不存在，則熱力系均不存在，則熱力系一切可見的一切可見的宏觀變化停止宏觀變化停止，這時熱力系處于平衡狀態(tài)。，這時熱力系處于平衡狀態(tài)。3.特點特點 具有確定的狀態(tài)參數(shù)具有確定的狀態(tài)參數(shù)。實現(xiàn)條件實現(xiàn)條件推動過程的勢差無限小，而且不存在任何推動過程的勢差無限小，而且不存在任何耗散耗散現(xiàn)象。無耗現(xiàn)象。無耗散效應的準平衡過程就是可逆過程。散效應的準平衡過程就是可逆過程。所謂耗散指固體或液體的磨擦、電阻、非彈性形變、磁滯所謂耗散指固體或液體的磨擦、電阻、非彈性形變、磁滯等現(xiàn)象起的效應，使能量耗散了，變?yōu)闊?。等現(xiàn)象起的效應，使能量耗散了，變?yōu)闊?。特點特點可逆過程是熱力學的抽象，實際過

5、程可逆過程是熱力學的抽象，實際過程無法實現(xiàn)無法實現(xiàn)，但可以，但可以無無限接近限接近它它研究可逆過程的目的，在于抓主要矛盾，反映本質(zhì)。把可研究可逆過程的目的，在于抓主要矛盾，反映本質(zhì)。把可逆過程作為實際過程中逆過程作為實際過程中能量轉(zhuǎn)化效果的能量轉(zhuǎn)化效果的比較標準比較標準; ;在實際熱力學計算中，通常是把某一在實際熱力學計算中，通常是把某一實際過程理想化實際過程理想化為可為可逆過程計算，然后引入必要的逆過程計算，然后引入必要的經(jīng)驗修正。經(jīng)驗修正。三、可逆過程三、可逆過程四、制冷的熱力學基礎(chǔ)四、制冷的熱力學基礎(chǔ)如果兩個物體分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡如果兩個物體分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡( (相互之

6、間相互之間沒有熱量傳遞沒有熱量傳遞) )，則彼此也必定處于熱平衡。處于熱平，則彼此也必定處于熱平衡。處于熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)溫度必然具有相同的溫度。衡狀態(tài)的系統(tǒng)溫度必然具有相同的溫度。（一）熱力學定律（一）熱力學定律1.1.熱力學第零定律熱力學第零定律 處于熱平衡的系統(tǒng)必然有一個在數(shù)值上相等的熱力學參數(shù)處于熱平衡的系統(tǒng)必然有一個在數(shù)值上相等的熱力學參數(shù)(溫度溫度)描述這一平衡特性。描述這一平衡特性。 如果要測量如果要測量A的溫度，可以用已知物性與溫度關(guān)系的物體的溫度，可以用已知物性與溫度關(guān)系的物體B與與A接觸，使之達到熱平衡，可由接觸，使之達到熱平衡，可由B讀得讀得A的溫度。的溫度。 B：氣體、液

7、體、熱電偶、熱電阻溫度計：氣體、液體、熱電偶、熱電阻溫度計自然界中的一切物質(zhì)都具有能量，能量不可能被創(chuàng)自然界中的一切物質(zhì)都具有能量，能量不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅；但能量可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變造，也不可能被消滅；但能量可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)，且在能量的轉(zhuǎn)化過程中能量的總量為另一種形態(tài)，且在能量的轉(zhuǎn)化過程中能量的總量保持不變。保持不變。 能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然界基本規(guī)律之一能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然界基本規(guī)律之一2.2.熱力學第一定律熱力學第一定律用符號用符號U表示，單位是焦耳表示，單位是焦耳 （J） 熱力學能熱力學能1kg1kg物質(zhì)的熱力學能稱比熱力學能物質(zhì)的熱力學能稱比熱力學能用符號用

8、符號u表示，單位是焦耳表示，單位是焦耳/千克千克 （J/kg） 比熱力學能比熱力學能熱力學能熱力學能（1）熱力學能和總能）熱力學能和總能熱力狀態(tài)的熱力狀態(tài)的函數(shù)。函數(shù)。兩個獨立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。兩個獨立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。 狀態(tài)參數(shù)，與路徑無關(guān)。狀態(tài)參數(shù)，與路徑無關(guān)。工質(zhì)的總儲存能工質(zhì)的總儲存能內(nèi)部儲存能內(nèi)部儲存能外部儲存能外部儲存能熱力學能熱力學能總能總能動動 能能位位 能能工質(zhì)的總儲存能工質(zhì)的總儲存能 E總能，總能， Ek 動能動能 Ep 位能位能E=U+Ek+Ep 內(nèi)部儲存能和外部儲存能的和，即熱力學能與宏觀運動動能內(nèi)部儲存能和外部儲存能的和，即熱力學能與宏觀運動動能及位能的總和及位能的總和若

9、工質(zhì)質(zhì)量若工質(zhì)質(zhì)量m，速度，速度cf，重力場中高度，重力場中高度z宏觀動能宏觀動能: : 221fkmcE重力位能重力位能: :mgzEp工質(zhì)的總能工質(zhì)的總能: :mgzmcUEf221gzcuef221比總能比總能: :力學參數(shù)力學參數(shù)cf和和z只取決于工質(zhì)在參考系中的速度和高度只取決于工質(zhì)在參考系中的速度和高度能量能量從一個物體傳遞到另一個物體有從一個物體傳遞到另一個物體有兩種方式兩種方式l作功作功借作功來傳遞能量總和物體宏觀位移有關(guān)。借作功來傳遞能量總和物體宏觀位移有關(guān)。 l傳熱傳熱借傳熱來傳遞能量無需物體的宏觀移動。借傳熱來傳遞能量無需物體的宏觀移動。 （2） 能量的傳遞和轉(zhuǎn)化能量的傳

10、遞和轉(zhuǎn)化 焓焓用符號用符號H表示，單位是焦耳表示，單位是焦耳 （J） H= U+pV比焓比焓 pvuh用符號用符號h表示，單位是焦耳表示，單位是焦耳/千克千克 （J/kg）焓是一個狀態(tài)參數(shù)。焓是一個狀態(tài)參數(shù)。焓也可以表示成另外兩個獨立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。焓也可以表示成另外兩個獨立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。如：如：h=f(T,v) 或或 h=f(p,T); h=f(p,v)12212121hhdhhhba (3) 焓焓 進入系統(tǒng)的能量進入系統(tǒng)的能量- -離開系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量= =系統(tǒng)中儲存能量的增加系統(tǒng)中儲存能量的增加 閉口系統(tǒng)的能量平衡：閉口系統(tǒng)的能量平衡：(4) 熱力學第一定律的基本能量方程式熱力

11、學第一定律的基本能量方程式 工質(zhì)從外界吸熱工質(zhì)從外界吸熱Q后從狀態(tài)后從狀態(tài)1變化到變化到2，對外作功，對外作功W。若。若工質(zhì)宏觀動能和位能的變化工質(zhì)宏觀動能和位能的變化忽略不計忽略不計，則，則工質(zhì)儲存能的工質(zhì)儲存能的增加即為熱力學能的增加增加即為熱力學能的增加U 12UUUWQWUQ熱力學第一定律的解析式熱力學第一定律的解析式 也就是：加給工質(zhì)的熱量一部分用于增加工質(zhì)的熱力學也就是：加給工質(zhì)的熱量一部分用于增加工質(zhì)的熱力學能儲存于工質(zhì)內(nèi)部，余下部分以作功的方式傳遞至外界。能儲存于工質(zhì)內(nèi)部，余下部分以作功的方式傳遞至外界。 對微元過程，第一定律解析式的微分形式對微元過程，第一定律解析式的微分形式

12、 WdUQ對于對于1 kg工質(zhì)工質(zhì)wuqwduq熱量熱量Q熱力學能變量熱力學能變量U功功W代數(shù)值代數(shù)值系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)吸熱Q+ 系統(tǒng)對外作功系統(tǒng)對外作功W+ 系統(tǒng)熱力學能增大系統(tǒng)熱力學能增大U+可逆過程可逆過程 pdVW 21,pdVUQpdVdUQ21,pdvuqpdvduq完成一循環(huán)后，工質(zhì)恢復原來狀態(tài)完成一循環(huán)后，工質(zhì)恢復原來狀態(tài) 0dUWQ閉口系完成一循環(huán)后，循環(huán)中與外界交換的熱量等于閉口系完成一循環(huán)后，循環(huán)中與外界交換的熱量等于與外界交換的凈功量與外界交換的凈功量 netnetnetnetwqWQ工質(zhì)流經(jīng)壓縮機時，機器對工質(zhì)做工質(zhì)流經(jīng)壓縮機時，機器對工質(zhì)做功功wc,使工質(zhì)升壓，工質(zhì)對外放

13、熱使工質(zhì)升壓，工質(zhì)對外放熱q 每每kgkg工質(zhì)需作功工質(zhì)需作功 21()()ctwhhqw 膨脹過程均采用絕熱過程膨脹過程均采用絕熱過程壓縮機（壓氣機）能量平衡壓縮機（壓氣機）能量平衡 膨脹機（動力機）能量平衡膨脹機（動力機）能量平衡 (5) 能量方程式的應用能量方程式的應用12itwhhw穩(wěn)定流動能量平衡方程穩(wěn)定流動能量平衡方程噴管能量轉(zhuǎn)換噴管能量轉(zhuǎn)換 換熱器能量平衡換熱器能量平衡 工質(zhì)流經(jīng)換熱器時和外界有工質(zhì)流經(jīng)換熱器時和外界有熱量交換而無功的交換，動熱量交換而無功的交換，動能差和位能差也可忽略不計能差和位能差也可忽略不計 1kg1kg的工質(zhì)吸熱量的工質(zhì)吸熱量 12hhq1kg1kg工質(zhì)動

14、能的增加工質(zhì)動能的增加 212122)(21hhccff工質(zhì)流經(jīng)噴管和擴壓管工質(zhì)流經(jīng)噴管和擴壓管時不對設(shè)備作功時不對設(shè)備作功 ，熱量，熱量交換可忽略不計交換可忽略不計 工質(zhì)流過閥門時流動截面突然收縮，壓力下降，這種流動工質(zhì)流過閥門時流動截面突然收縮，壓力下降，這種流動稱為節(jié)流。稱為節(jié)流。 設(shè)流動絕熱，前后兩截面間的動能差和位能差忽略，設(shè)流動絕熱，前后兩截面間的動能差和位能差忽略，因過程無對外做功，故因過程無對外做功，故節(jié)流前后的焓相等節(jié)流前后的焓相等 21hh該式只對節(jié)流前后穩(wěn)定段成立，而不適合節(jié)流過程段。該式只對節(jié)流前后穩(wěn)定段成立，而不適合節(jié)流過程段。 節(jié)流節(jié)流熱不能自發(fā)地、不付代價地從低溫

15、物體傳到高溫物體熱不能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳到高溫物體研究與熱現(xiàn)象相關(guān)的各種過程進行的方向、條件及限度的研究與熱現(xiàn)象相關(guān)的各種過程進行的方向、條件及限度的定律定律 (1)(1)制冷循環(huán)的熱力學分析制冷循環(huán)的熱力學分析 熱力學循環(huán)熱力學循環(huán) 正向循環(huán)正向循環(huán) 熱能轉(zhuǎn)化為機械功熱能轉(zhuǎn)化為機械功 逆向循環(huán)逆向循環(huán) 消耗功消耗功 可逆循環(huán)是理想循環(huán)。可逆循環(huán)是理想循環(huán)。 理想循環(huán)：理想循環(huán)：3.3.熱力學第二定律熱力學第二定律機械能機械能電能電能熱能熱能熵熵熱力學狀態(tài)參數(shù)，是判別實際過程的方向，提供過程能否實熱力學狀態(tài)參數(shù)，是判別實際過程的方向，提供過程能否實現(xiàn)、是否可逆的判據(jù)?，F(xiàn)、是否可逆的

16、判據(jù)。 定義式定義式 Tqdsrevqrev是可逆過程的換熱量，是可逆過程的換熱量，T為熱源溫度為熱源溫度可逆過程可逆過程1-2的熵增的熵增 212112Tqdssssrev克勞修斯積分克勞修斯積分 Tqrev=0 =0 可逆循環(huán)可逆循環(huán) 0 0 不可逆循環(huán)不可逆循環(huán) 0 0 不可能實現(xiàn)的循環(huán)不可能實現(xiàn)的循環(huán) 熱源溫度不變時的逆向可逆循環(huán)熱源溫度不變時的逆向可逆循環(huán) 逆卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán) 當高溫熱源和低溫熱源隨著過程的進行溫度不變時，當高溫熱源和低溫熱源隨著過程的進行溫度不變時，具有兩個可逆的等溫過程和兩個等熵過程組成的逆具有兩個可逆的等溫過程和兩個等熵過程組成的逆向循環(huán)。向循環(huán)。在相同溫度范

17、圍內(nèi)，它是消耗功最小的循環(huán)，即熱在相同溫度范圍內(nèi)，它是消耗功最小的循環(huán)，即熱力學效率最高的制冷循環(huán)，因為它沒有任何不可逆力學效率最高的制冷循環(huán)，因為它沒有任何不可逆損失。損失。 (2)(2)理想制冷循環(huán)理想制冷循環(huán)逆卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán) 卡諾制冷卡諾制冷機機是熱力是熱力理想的等理想的等溫制冷機溫制冷機過程過程1 12 2 壓縮工質(zhì)同時放熱至熱壓縮工質(zhì)同時放熱至熱源，源，維持制冷劑溫度恒定維持制冷劑溫度恒定 過程過程2 23 3 工質(zhì)從熱源溫度工質(zhì)從熱源溫度T Th h可逆絕熱可逆絕熱膨脹到冷源溫度膨脹到冷源溫度T Tc c 過程過程3 34 4 熱量從冷源轉(zhuǎn)移到工質(zhì)中熱量從冷源轉(zhuǎn)移到工質(zhì)中同時工質(zhì)做功以同時工質(zhì)做功以使制冷劑使制冷劑維持一定的溫度維持一定的溫度 過程過程4 41 1 制冷劑從冷源溫度可逆絕熱制冷劑從冷源溫度可逆絕熱壓縮到熱源溫度壓縮到熱源溫度溫溫 度度 T熵熵 S洛倫茲循環(huán)的洛倫茲循環(huán)的T-s圖圖 (3)熱源溫度可變時的逆向可逆循環(huán)熱源溫度可變時的逆向可逆循環(huán)洛倫茲循環(huán)洛倫茲循環(huán) 洛倫茲循環(huán)洛倫茲循環(huán)工作在工作在兩個變溫熱