第二章 低温的热力学基础.ppt

第二章 制冷与低温原理的热工基础 四、稳定流动能量方程式的应用 1.蒸汽轮机、气轮机 (steam turbine、gas turbine) 2.压气机，水泵类 (compressor，pump) 流入 零效应的连线称为转化曲线，如图上虚线所示。 若节流后气体温度保持不变，这样的温度称为转化温度。 焦耳－汤姆逊系数就是图上等焓线的斜率 转化曲线上 节流后升温 节流后降温 图1-12 实际气体的等焓节流膨胀 进一步推导得 (1-50) 对理想气体 (2) 节流过程的物理特征 节流时温度降低 节流时温度不变 节流时温度升高 实际气体表达式可通过实验来建立 (1-51) 对空气和氧 在P＜15×103kPa (3) 转化温度与转化曲线 转化温度 (1-55) (1-56) 转化温度与压力的关系 在T－P图上为一连续曲线，称为转化曲线 针对范德瓦尔气体的最高转化温度 (此时 或 ) (1-53) 范德瓦尔 状态方程 表1-1 最大转化温度列出了一部分气体的最高转化温度。 1994 NH3 1500 CO2 603 空气 939 CH4 621 N2 761 O2 250 Ne 794 Ar 205 H2 652 CO 45 He4 最高转化温度(K) 气体 最高转化温度(K) 气体 2.绝热膨胀 气体等熵膨胀时，压力的微小变化所引起的温度变化。 微分等熵效应 (1-58) 对理想气体(?为绝热指数) (1-60) 等熵膨胀过程的温差，随着膨胀压力比P1/P2的增大而增大，还随初温T1的提高而增大。 3.绝热放气 (1)假定放气过程进行很慢，活塞左侧气体始终处于平衡状态而等熵膨胀，所作功按其本身压力计算，因而对外作功最大，温降也最大。 (2)设想阀门打开后活塞右侧气体立即从P1降到P2，因而当活塞左侧气体膨胀时只针对一恒定不变压力P2作功，对外作功最小，温降也最小。 (1-61) (1-62) 实际放气过程总是介于上述两种极限情况之间，过程进行得越慢，愈接近等熵膨胀过程。 图1-14 放气过程中温度与压力的变化关系 分析这两种极限情况可得结论： (1)气体绝热指数越大，则温比T2/T1(P2/P1一定时)越小，温降越大，用单原子气体可获较大温降。 (2) 随压比P1/P2增大，温比T2/T1减少越来越慢，单级压比不宜过大，一般取3到5。 4.1 热力理想等温源系统 “冷源”指需冷却的空间 “热源”则指制冷机放热的对象 4.低温气体制冷的热力学基础 表1-2 卡诺制冷机在300K和低温Tc时的性能系数COP 29,999.0 0.0000333 0.01 2,999.0 0.0003334 0.1 299.0 0.003344 1.0 70.43 0.01420 4.2 13.778 0.07258 20.3 2.876 0.3477 77.4 1.686 0.5932 111.7 - Wnet/Q0 COPi=-Q0/Wnet 冷源温度（K） 4.2 热力理想等压源系统 在工质未冷凝的气体制冷机系统中，吸热过程是变温的，而不象在卡诺制冷机中那样在等温下吸热。这样，实际系统与卡诺系统比较是不公平的，因为实际系统的冷源温度不恒定。 没有一个制冷系统的制冷系数可大于相同温限下工作的卡诺制冷机，否则就可以制造第二类永动机。要达到相同的制冷效应，所有实际的制冷机都要比卡诺制冷机花费更多的功。 热力学第二定律的推论之一 制冷剂在T1和T2 之间可逆等压吸热，放热过程是可逆等温过程。 * 制 冷 原 理 与 技 术 * 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；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。 1.热力学第一定律 第一定律的实质 能量守恒与转换定律在热现象中的应用。 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。 工质的总储存能 内部储存能 外部储存能 热力学能 总能 动 能 位 能 E－总能， Ek －动能 Ep －位能 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 运动动能及位能的总和 。 若工质质量m，速度cf，重力场中高度z 宏观动能 重力位能 工质的总能 (1-3) 能量从一个物