焦耳-汤姆逊效应与制冷机.ppt
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1、4.7焦耳焦耳-汤姆逊效应与制冷机汤姆逊效应与制冷机4.7.14.7.1制冷循环与制冷系数制冷循环与制冷系数(一一)制冷循环制冷循环(refrigerator cycle)refrigerator cycle)前面已讨论过前面已讨论过p-Vp-V图上顺时针循环图上顺时针循环(热机热机)的热的热力学过程。现在讨论逆时针循环力学过程。现在讨论逆时针循环(致冷机致冷机)的热的热力学过程。如图所示。力学过程。如图所示。系统经过一个循环后,系统经过一个循环后,从较低温热源取走了从较低温热源取走了 一部分热量传到较高温一部分热量传到较高温 热源去了。这正是制冷热源去了。这正是制冷机的原理。机的原理。为了能
2、对制冷机的性能为了能对制冷机的性能 作出比较,作出比较,需对制冷机效率作出定义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在制冷机中人们关心的是从低温热源吸走的总热量的总热量Q Q2 2,其代价是外界必须对制冷机作功其代价是外界必须对制冷机作功 W W,故定故定义制冷系数义制冷系数(二二)制冷系数制冷系数因为因为 冷冷的数值可以大于的数值可以大于1 1,故,故 不称为制冷机效率而称为制冷系数。不称为制冷机效率而称为制冷系数。(三三)可逆卡诺制冷机的制冷系数可逆卡诺制冷机的制冷系数所谓可逆卡诺制冷机是由一个温度为所谓可逆卡诺制冷机是由一个温度为T T1 1 可逆可逆等温压缩过程等温
3、压缩过程(这时放热这时放热 Q Q1 1),),一个温度为一个温度为 T T2 2(T T2 2 T T1 1)的可逆等温膨胀的可逆等温膨胀过程过程(这时吸热这时吸热 Q Q2 2)以及一个可逆绝热压缩、一个可逆绝热膨胀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卡诺循环来代表的。过程所组成的逆向卡诺循环来代表的。其制冷系数为其制冷系数为 可以看到,制冷温度越低,可以看到,制冷温度越低,制冷系数也越小。若为绝对制冷系数也越小。若为绝对零度,则制冷系数为零。零度,则制冷系数为零。4.7.2 焦耳焦耳-汤姆逊效应汤姆逊效应 使物体温度降低的常用方法有下列五种使物体温度降低的常用方法有下列
4、五种:通过温度更低的物体来冷却;通过温度更低的物体来冷却;通过吸收潜热通过吸收潜热(如汽化热、吸附热、如汽化热、吸附热、溶解热、稀释热等溶解热、稀释热等)来降温;来降温;通过绝热膨胀降温;通过绝热膨胀降温;温差电致冷温差电致冷(thermo-electric thermo-electric cooling)cooling);节流膨胀致冷节流膨胀致冷(throttling throttling expansion cooling)expansion cooling)。大多数制冷机都是通过工大多数制冷机都是通过工(作媒作媒)质气质气体液化来获得低温热源,通过液化工质体液化来获得低温热源,通过液化工
5、质的蒸发吸热来提供制冷量的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气态工质降温后能以液态出现的有效手段是节流效应。段是节流效应。本节中专门介绍焦耳本节中专门介绍焦耳汤姆逊效应汤姆逊效应(Joule-Thomson effect),Joule-Thomson effect),也称节流效应也称节流效应(throttling effect)throttling effect)。下图为焦耳下图为焦耳汤姆逊实验示意图。汤姆逊实验示意图。这种在绝热条件下,高压气体经过多孔塞小这种在绝热条件下,高压气体经过多孔塞小孔、通径很小的伐门、毛细管等流到低压一孔、通径很小的伐门、毛细管等流到低
6、压一边的稳定流动过程称为节流过程。边的稳定流动过程称为节流过程。目前在工业上是使气体通过节流阀目前在工业上是使气体通过节流阀或毛细管或毛细管来实现节流膨胀的。来实现节流膨胀的。实验发现,这时在实验发现,这时在多孔塞两边的气体的多孔塞两边的气体的温度一般并不相等,温度一般并不相等,温度差的大小和气体温度差的大小和气体种类及多孔塞两边的种类及多孔塞两边的压强的数值有关。压强的数值有关。利用下图可讨论节流的热力学过程利用下图可讨论节流的热力学过程。两端开口的绝热气缸中心有多孔塞,多孔塞两两端开口的绝热气缸中心有多孔塞,多孔塞两侧维持不同压强侧维持不同压强 p p1 1 p p2.2.以活塞左边气体为
7、研究对象以活塞左边气体为研究对象 ,当气体全部穿过多孔塞以,当气体全部穿过多孔塞以后,它的状态参量从后,它的状态参量从V V1 1 变为变为V V2 2,p p1 1变为变为p p2 2 ,T,T1 1变为变为T T2 2 。设气体都在左边时的内能为设气体都在左边时的内能为U U1 1 ,气体都在右边时的内能为气体都在右边时的内能为U U2 2。气体穿过多孔塞过程中,左边活塞对气体气体穿过多孔塞过程中,左边活塞对气体作功作功,气体推动右边活塞作功气体推动右边活塞作功这就是说,绝热节流过程前后的焓不变。这就是说,绝热节流过程前后的焓不变。显然,所有的理想气体在节流过程前后的温度显然,所有的理想气
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