4.7焦耳-汤姆逊效应与制冷机.ppt

* §4.7焦耳-汤姆逊效应与制冷机 ? §4.7.1制冷循环与制冷系数 （一）制冷循环(Refrigerator Cycle) 　　p-V图上逆时针循环(制冷机)的热力学过程。 　　系统经过一个循环后，从较低温热源取走了一部分热量传到较高温热源去了。这正是制冷机的原理。 制冷系数 为了对制冷机的性能作出比较，需对制冷机效率作出定义。在制冷机中人们关心的是从低温热源吸走的总热量｜Q2｜，其代价是外界必须对制冷机作功A，制冷系数η热 (4.48) 从(4.49)式可以看到，制冷温度越低，制冷系数也越小。若T2为绝对零度，则制冷系数为零。 因为η冷的数值可以大于1，故η冷不称为制冷机效率而称为制冷系数。 （二）可逆卡诺制冷机的制冷系数 可逆卡诺制冷机是由一 个温度为T1的可逆等温压缩过程(这时放热Q1)、一个温度为 T2( T2 T1 )的可逆等温膨胀过程 (这时吸热Q2)以及一个可逆绝热压缩、一个可逆绝热膨胀过程所组成的逆向循环来代表的。 其制冷系数为 (4.49) |A| |Q1| Q2 T1 T2 致冷系数 卡诺致冷机 §4.7.2 焦耳-汤姆逊效应 1、物体温度降低的常用方法： （1）通过温度更低的物体来冷却； （2）通过物质吸收潜热(如汽化热、吸附热、溶解热、稀释热等)来降温； （3）通过绝热膨胀降温； （4）温差电致冷(thermo electric cooling)； （5）节流膨胀致冷( throttling expansion cooling)。 2、焦耳—汤姆逊效应 制冷机的制冷方法：通过工(作媒)质气体液化来获得低温热源，通过液化工质的蒸发吸热来提供制冷量的 。 气态工质降温后能以液态出现的有效手段是节流效应。本节中专门介绍焦耳—汤姆逊效应也称节流效应。 绝热自由膨胀 （非准静态绝热过程） 真空 绝热刚性壁 隔板 T1 T2 对理想气体： 器壁绝热： Q = 0 向真空膨胀：A = 0 热一律 U1 = U2 T1 = T2 对真实气体： 分子力以引力为主时 T2 T1 分子力以斥力为主时 T2 T1 （是否等温过程？） （1）原因：水的热容量比气体的大得多，焦耳实验中气体的温度变化不宜测出，其结果不可能很准确。 （2）Joule-Thomson（1845年，Joule实验，1852年J-Thomson实验,1892年，W. Thomson,被封为Kelvin勋爵) 设计多孔塞实验,研究气体的内能,并发现了J-T效应. 实验装置: 绝热良好的管子L,多孔塞H.气体从左→右侧。稳定流动转态，在实验中维持两侧压强差恒定。 节流过程 在绝热条件下，高压气体经过多孔塞流到低压一边的稳定流动过程。 节流过程（throttling process） 通常气体是通过多孔塞或小孔向压强较低 实际气体通过节流过程温度可升高或降低， 这称为焦耳?汤姆孙效应(Joule-Thomson effect)。 温度降低叫正的焦耳?汤姆孙效应，可用来 制冷和制取液态空气。 p1 p2 多孔塞 区域膨胀—节流过程。 当 p1和 p2保持一定，且过程绝热时： 设气体通过多孔塞前： 内能U1、体积V1 内能U2、体积V2 气体通过多孔塞后： Q = 0， A = p1 V1? p2V2， 由热力学第一律有： 气体的绝热节流过程是等焓过程。 p1 p2 多孔塞 令 图4.39 图4.40节流过程 实验发现：在节流过程中，一般会在多孔塞两侧产生温 度差，且温差与气体的速度的种类及多孔塞两边的压强数值有关。 （3）、分析节流的热力学过程。两端开口绝热气缸中心有多孔塞，两侧维持不同压強p1,p2 ；且 p1＞p2 。 简化节流装置：设想在一 两端开口的绝热汽缸中心有一个多孔塞。 图4.41 在多孔塞两边各有一个活塞。在 活塞上分别作用有： 恒定不变，且S1=S2 F1＞F2 。 以活塞左边气体为研究对象 ，当气体全部穿过多孔塞以后，它的状态参量从V1→V2，p1→p2,T1→T2。 （1）开始时，多孔塞 左边被封有一定量气体，左边：P1，V1，T1，右边：没有气体。 图4.42 （2）在外边力F1的推动下，气体缓慢穿过多孔塞，进入右边，但多孔塞两边始终维持F2（P2）， F1（P1）。设气体都在左边时的内能为U1，气体都在右边时的内能为U2。 （3）最后，气体全部穿过多孔塞以后：右边气体：P2，V2，T2；左边：没有气体。 图4.43 （4）热力学过程分析： 气体在穿过多孔塞过程中，左边活塞对它所作的功为 同时推动右边活塞作功，其数值为 ∴外界对这一定量气体所作功（净功）A： 设气体都在左边时的内能为U1，气体都在右