焦耳湯姆遜效應(yīng)與制冷機(jī)

1、焦耳湯姆遜效應(yīng)與制冷機(jī)第1頁，共15頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)37分，星期四 為了能對制冷機(jī)的性能 作出比較， 需對制冷機(jī)效率作出定義在制冷機(jī)中人們關(guān)心的是從低溫?zé)嵩次叩目偀崃縌2，其代價是外界必須對制冷機(jī)作功 W，故定義制冷系數(shù)(二)制冷系數(shù)因為 冷的數(shù)值可以大于1，故 不稱為制冷機(jī)效率而稱為制冷系數(shù)。第2頁，共15頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)37分，星期四(三)可逆卡諾制冷機(jī)的制冷系數(shù)所謂可逆卡諾制冷機(jī)是由一個溫度為T1 可逆等溫壓縮過程(這時放熱 Q1),一個溫度為 T2 ( T2 T1 ) 的可逆等溫膨脹過程 (這時吸熱 Q2 )以及一個可逆絕熱壓縮、一個可逆絕熱膨脹過

2、程所組成的逆向卡諾循環(huán)來代表的。其制冷系數(shù)為 可以看到，制冷溫度越低，制冷系數(shù)也越小。若為絕對零度，則制冷系數(shù)為零。第3頁，共15頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)37分，星期四4.7.2 焦耳-湯姆遜效應(yīng) 使物體溫度降低的常用方法有下列五種： 通過溫度更低的物體來冷卻； 通過吸收潛熱(如汽化熱、吸附熱、溶解熱、稀釋熱等)來降溫； 通過絕熱膨脹降溫； 溫差電致冷(thermo-electric cooling)； 節(jié)流膨脹致冷( throttling expansion cooling)。第4頁，共15頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)37分，星期四 大多數(shù)制冷機(jī)都是通過工(作媒)質(zhì)氣體液化來

3、獲得低溫?zé)嵩矗ㄟ^液化工質(zhì)的蒸發(fā)吸熱來提供制冷量的 。氣態(tài)工質(zhì)降溫后能以液態(tài)出現(xiàn)的有效手段是節(jié)流效應(yīng)。本節(jié)中專門介紹焦耳湯姆遜效應(yīng)(Joule-Thomson effect),也稱節(jié)流效應(yīng)( throttling effect)。下圖為焦耳湯姆遜實驗示意圖。 第5頁，共15頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)37分，星期四 這種在絕熱條件下，高壓氣體經(jīng)過多孔塞小孔、通徑很小的伐門、毛細(xì)管等流到低壓一邊的穩(wěn)定流動過程稱為節(jié)流過程。 目前在工業(yè)上是使氣體通過節(jié)流閥或毛細(xì)管來實現(xiàn)節(jié)流膨脹的。 實驗發(fā)現(xiàn)，這時在多孔塞兩邊的氣體的溫度一般并不相等，溫度差的大小和氣體種類及多孔塞兩邊的壓強(qiáng)的數(shù)值有關(guān)。第6頁

4、，共15頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)37分，星期四利用下圖可討論節(jié)流的熱力學(xué)過程。兩端開口的絕熱氣缸中心有多孔塞，多孔塞兩側(cè)維持不同壓強(qiáng) p1 p2 .以活塞左邊氣體為研究對象 ，當(dāng)氣體全部穿過多孔塞以后，它的狀態(tài)參量從V1 變?yōu)閂2 ，p1變?yōu)閜2 ,T1變?yōu)門2 。設(shè)氣體都在左邊時的內(nèi)能為U1 ，氣體都在右邊時的內(nèi)能為U2 。氣體穿過多孔塞過程中，左邊活塞對氣體作功, 氣體推動右邊活塞作功第7頁，共15頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)37分，星期四這就是說，絕熱節(jié)流過程前后的焓不變。顯然，所有的理想氣體在節(jié)流過程前后的溫度都不變。這已被實驗所證實。但對于氫氣、氦氣，在常溫下節(jié)流后溫

5、度反而升高，稱為負(fù)節(jié)流效應(yīng)。只有在足夠低溫度下才呈現(xiàn)正節(jié)流效應(yīng)。低溫工程利用節(jié)流致冷效應(yīng)來降低溫度外界對定量氣體所作的凈功為注意到絕熱過程 Q = 0，則由第一定律第8頁，共15頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)37分，星期四用以研究節(jié)流過程的等焓線為了研究在不同壓強(qiáng)、溫度下的不同種類氣體經(jīng)節(jié)流后的溫度變化 ，常由實驗在 T p 圖作出各條等焓線。 實驗進(jìn)行時，高壓一邊的壓強(qiáng) pi 溫度 Ti 先可任意選定，從而確定某一初態(tài)，如圖中的i點(diǎn)所示。而節(jié)流以后的末態(tài)是一系列的點(diǎn)，1，2，3，4，5，6，7 。這些點(diǎn)的焓和i點(diǎn)的焓是相等的。這些點(diǎn)連接成的線就是等焓線。第9頁，共15頁，2022年，5月

6、20日，14點(diǎn)37分，星期四 從圖可以看見，若節(jié)流在“i”點(diǎn)和“4 ”點(diǎn)的狀態(tài)間進(jìn)行，溫度將升高； 若改在“i”點(diǎn)與“7”點(diǎn)間進(jìn)行節(jié)流過程，溫度就降低。 由此看到，等焓線不是節(jié)流過程實際進(jìn)行的圖線。它是一系列焓的設(shè)置相等的點(diǎn)的集合。節(jié)流過程是不可逆過程，在狀態(tài)圖上是不能以一條實線來表示的。第10頁，共15頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)37分，星期四氣體壓縮式制冷機(jī) 氣體制冷工質(zhì)先后經(jīng)壓縮、冷卻、節(jié)流膨脹等手段最后制得低溫液體 的制冷機(jī)稱為氣體壓縮式制冷機(jī)。它分為如下兩種：第11頁，共15頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)37分，星期四(1) 蒸汽壓縮式制冷機(jī)(refrigerator wi

7、th compressed vapour)氣體被壓縮、冷卻到室溫后通過節(jié)流膨脹能使氣體液化的制冷機(jī)稱為蒸汽壓縮式制冷機(jī)。如冷庫用的冷凍機(jī)以氨(沸點(diǎn)-33.35)為制冷工質(zhì)、冰箱與空調(diào).蒸汽壓縮式制冷機(jī)的循環(huán)過程示于下圖。 第12頁，共15頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)37分，星期四(二)深度冷凍制冷機(jī) 若工作氣體被壓縮冷卻到室溫后經(jīng)節(jié)流尚不能使氣體液化，其液化溫度還遠(yuǎn)低于此節(jié)流后溫度，這時必須改用另一種稱為深度冷凍的循環(huán)。屬于這類制冷機(jī)的主要有液氮機(jī)(0.101MPa時的液氮溫度為77K)、液氦機(jī)(0.101MPa時的液溫度為4.2K)及制氧機(jī)。工業(yè)上制得氧氣是先將空氣液化，然后在氣液共存

8、情況下，借助氧的沸點(diǎn)(90K)較高，易于冷凝 ，氮的沸點(diǎn)(77K)較低易于蒸發(fā)的特點(diǎn)，利用分溜等方法將氧、氮分離的。 第13頁，共15頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)37分，星期四*熱泵型空調(diào)器 l制冷機(jī)也可用來升高溫度。例如冬天取暖，常采用電加熱器，它把電功直接轉(zhuǎn)變?yōu)闊岷蟊蝗藗兯茫瑢嶋H上 這是很不經(jīng)濟(jì)的。 若把這電功輸給一臺制冷機(jī)，使它從溫度較低的室外或江、河的水中吸取熱量向需取暖的裝置輸熱，這樣除電功轉(zhuǎn)變?yōu)闊嵬?，還額外從低溫吸取了一部分熱傳到高溫?zé)嵩慈?，取暖效率?dāng)然要高得多，這種裝置 稱為熱泵(heat pump)。 熱泵型空調(diào)器就是一臺冷凍機(jī)，不過將兩只熱交換器分別裝于室內(nèi) 與室外，并借助一只四通閥分別對流進(jìn)及流出壓縮機(jī)的高壓氣體