热力学与制冷基础知识.doc

热力学与制冷基础知识一、常用物理量及其概念要理解制冷原理需要一些基础的物理知识。在本节中，我们将讲解一些常用物理量并举一些简单的应用例子。所涉及到的内容不能代替物理课程，但足够我们用了。对于有较好的物理学基础的人来说，这一节可以作为复习，甚至可以省略。（一）质量、力和重量物体的质量是它所包含的物质的量。国际单位用千克。力是一个物体施加于另一个物体的推力或拉力。力的国际单位为牛顿。物体的重量是地球引力施加在物体上的力。也就是说，重量是一种力而不是质量。然而，在生活中，重量常用来表示物体的质量，因此质量和重量常发生混淆。但是，当我们用千克力为单位表示重量时，在数值上与质量是相同的，因此在计算中应该不会发生错误。在任何情况下，问题的本质通常会显示出究竟我们考虑的是质量还是重量。（二）密度、比容和比重密度（d）是某种物质单位体积的质量（m），比容（v）是密度的倒数。即： 式中V为体积。物质的密度和比容会随着温度和压力的变化而变化，尤其是液体和气体。液体的比重定义为它的密度与相同体积的4的水的密度的比值。4的水的密度为1000kg/m3，所以比重为 式中d：物质的密度，kg/m3；dw是4的水的密度，kg/m3。质量、密度和比容都是物质的物理特性。对于制冷过程来说还有其它一些重要的物理性质的量，即：压力、温度、焓和比热。（三）压力、绝对压力、表压、真空压力、液柱压力和水汽分压压力定义为施加在单位面积上的力。用公式的形式来表达就是：如果力的单位为牛顿，面积的单位用平方米，则压力的单位为牛/米2（N/m2）。在国际单位制中，压力的单位为帕斯卡（Pa），1帕斯卡（Pa）=1牛/米2（N/m2）。然而在制冷工作中还经常会用到许多其它的压力单位，如毫米汞柱、巴（bar）和大气压，附录中列出了这些单位之间的相互转化。绝对压力、表压和真空度我们定义绝对真空的空间里压力为零，在这个零值之上由流体产生的压力称为绝对压力（Pabs）。大气层中的空气由于它们的重量而产生了施加在地球表面上的压力，称为大气压（Patm）。一个标准大气压（1atm）一般用施加在海平面上的大气压力来衡量，经过测量得出这个数值大约等于1.01105N/m2。根据天气条件的变化这个数值会略有变化。随着海拔高度的增加，大气压会下降，这是由于它上面的空气的重量减小了。例如在西藏地区的大气压就比北京地区的大气压低。测量压力的工具通常是用来测量流体的压力与大气压之间的差值，而不是流体的绝对压力。测出的高于大气压的压力称为表压Pg。绝对压力、表压和大气压之间的关系如下：表压使用起来很方便，因为大多数的压力测量仪器是以大气压的读数为零度来进行校准的。当一种流体产生的压力低于当地大气压时，这个压力与大气压之间的差值就称为真空压力或真空度（Pvac）。绝对压力、大气压和真空度之间的关系如下：有些压力表可以同时读出真空压力和表压，称为复合压力表，复合压力表在制冷工作中特别有用，因为在压缩机的吸收管路中，压力常低于大气压。在实际应用中，我们经常会与遇到用液柱的高度来表示的压力（比如mmHg）。液柱压力液体由于它本身的重量可以产生压力，而重量又取决于液柱的高度。产生的压力与液柱高度之间的关系如下：式中：液体施加的压力；：液体的密度；：液柱的高度。液体柱高度和压力之间的这种关系被用来制造一种用液柱来测量压力的仪器，称为流体（气体）压力计或U型压力计。如果施加在压力计U型管两端的压力相同，都是大气压，则液面保持在同一水平；如果一端与容器相连，容器中的压力高于大气压，则与容器相连接的一端液面较低；如果容器中的压力低于大气压（真空压力），则与容器相连接的一端液面较高。气压计是一种特殊的压力计，用来测量大气压力，所使用的液体是汞。管中抽成真空以使得汞柱一端没有任何空气压力，由于有大气压施加于汞柱的底端，所以汞柱上升的高度就表示了大气压。液压柱或气压柱用液压柱或气压柱为单位来表示压力是很方便的，液压柱或气压柱就相当于公式1-7中所示的液柱高度H。在某些场合中，我们可以用760毫米汞柱来表示大气压，取代1.03kg/cm.2。也就是说我们可以用公式将其它的压力单位转化为液柱来表示，这种转换关系也可以从附录中查得。任何气体在分子运动时都具有一定的压力。湿空气由干空气和水汽组成，它们都具有各自的压力，叫做分压力，二者之和组成空气的总压力。水汽分压力的大小反映了空气中含水汽量的多少，水汽的最大压力称为对应温度下水汽饱和压力。空气温度越高，则空气中水汽的饱和压力越大，空气中水汽达到饱和分压力，则空气不再吸收水分，称为饱和空气。（四）功、功率和能（量）功是当移动一个物体时，施加在它上面的力所产生的效果。可以用下面的公式来表示： 在国际单位制中，功的单位是焦尔（J），1牛顿的力使物体移动1米所做的功为1焦尔，也就是说：1J=1N.m。功率是做功和所用的时间的比，可以用下式表示： 在工业应用中，功率常常比功具有更直接的意义，设备的工作能力是以它们的输出功率或能量消耗为基础的。功率的单位常用马力（hp）和千瓦(kW)，功率的标准国际单位是千瓦(kW)，等于1千焦尔/秒。能，被定义为做功的能力，尽管它是一个抽象的概念。比如，我们使用贮存在燃料中的化学能，通过在高压下产生燃烧的气体来驱动引擎的活塞做功，所以功是能的一种形式。能有许多种存在形式，可以分为几类，它们被贮存在物体内部，或在各种形式之间转化或从一个物休转移到另一个物体。能可以以许多不同的形式贮存在物质中，下面我们要把所有的注意力集中到能量转化或转移的其中一种形式，那就是热。其它的一些能量贮存的形式将在以后进行讨论。（五）热、温度和焓热可以定义为由于温差的存在而从一个物体向另一个物体转移的能量的一种形式。我们要注意，热量只能自然地从温度较高的物体向温度较低的物体转移，我们说它是“往下走”的。当然，如果没有温差就没有热量的转移。制冷是一个特殊的热量传递过程，我们要将热量从物体移走，使它达到我们想要的低温，或保持这种低温。当然，一定具有一种物体比我们要从中移除热量的这个物体的温度还要低。这就是为什么我们要创造机械制冷的方法，也就是本书的主题。尽管我们常说冷却某个东西，但制冷实际上是要把热量移走。从技术角度而言，冷却这个词是毫无意义的，它只是我们身体对于处于低温状态的物体或正在失去热量的物体的一种感觉。热量的国际单位是焦尔，我们注意到它也是功的单位，由于功和热是同一个物理性质能量的两种不同形式，所以可以用同一个单位来表示。实际上我们可以看到许多例子，在其中能量的一种形式功，通过摩擦转化成另一种形式热。有一个常见的例子就是汽车的轮胎与路面的摩擦使轮胎变热。在国际单位中，使用焦尔作为各种形式的能量的唯一的单位，使用千瓦作为功率的唯一单位可以简化计算过程。但是，在一些使用米制的国家，在制冷工作中，人们仍然会使用卡或千卡作为热能的单位。1卡是指将1克15的水的温度升高1所需要的热量。温度是物质的一个特性参数，它取决于物体内部分子运动的速度。分子是组成物体结构的粒子。分子运动的速度越快，物体的温度就越高。但是我们不可能通过测量分子运动的速度来确定物体的温度。我们的触觉可以给我们一种对温度的相对的比较，我们会根据自己的反应说某个东西是热的或冷的，但这不足以得出精确的数值。我们通过观察温度的变化所产生的一些物体变化，得到精确测量温度的方法。最常见的温度测量仪器（温度计）利用了液体热胀冷缩的物理现象。水银温度计由一个细长的玻璃管和一个盛装水银的球状物组成，当温度升高时，水银膨胀并沿着管子上升，我们看一下水银柱顶端的位置相应的温度刻度就可以读出温度的数值。在国际单位制中，温度的单位是摄氏度（），在大气压下水的沸点是100，冰点温度是0。此外还有一个常用的绝对温度的单位，它的零度值是取可能存在的最低温度，称为开尔文（K）温度标度。它与摄氏度的关系如下： 焓：能量可以分为流动的能量和贮存的能量，一个物体中贮存的总能量包括几种形式，比如我们都注意到了物体中贮存有化学能，因为我们已经认识到物质通过燃烧可以释放出所贮存的化学能。还有两种常见的能量贮存的形式是动能和势能。动能是由于物体的运动或它的速度而贮存的能量，而势能是由于它的位置，或海拔高度。温度和压力也会使物体具有额外的能量。我们都注意到高压的气体具有能量（如沸腾时产生的蒸汽），高温下的水可以向外释放热能。我们称这种以温度和压力所贮存的能量称为焓（H）。对于焓还有更为准确的定义，但在我们所讨论的范围内是没有必要的。在制冷工业中常使用一种说法叫热含量，它的含义与焓相同。准确地说，热是一种可以在物体之间流进、流出的能量形式，而焓或热容是物体的贮存能量的形式。作为一种能量的形式，焓的单位是焦尔。比焓是单位质量的物质的焓，它的单位是焦尔/千克。将温度与焓（热含量）区别开来是很重要的，温度是对一个物体的热的水平的一种衡量，当物体获得热量时，它的温度升高，而物体的焓（热含量）除了温度外，还取决于它的质量。例如，极少量在1,400摄氏度（）的温度下熔化了的钢，其温度要比一大池90摄氏度（）水高得多，但是这一大池子水的焓却高于这少量熔化的钢。也就是说，这些水中所贮存的内能更多。这是一个很重要的事实，因为在许多实际应用的情况中，我们可以从这一池水中得到更多的热量，尽管它的温度较低。（六）湿度、湿球温度和露点温度空气的潮湿程度叫空气的湿度，其大小由空气中水汽含量而定。按用途不同可分为三种表示方法：绝对湿度：每立方米湿空气中含有的水汽的质量(kg/m3)。由于在湿空气的状态变化过程中，其体积和质量是变化的，即使湿空气的水汽含量不变，由于温度变化其体积也随着变化，绝对湿度用体积作为参数，所以绝对湿度也随着变化，这样就不能反映空气中的水汽含量的多少。含湿量：1kg干空气中带有的水汽量(g/kg)。干空气和水汽在常温下可以看作理想气体，根据湿空气、干空气和水汽三者之间的体积、温度、压力和质量的关系，可以得到：式中Gc、Gg：湿空气中水汽和干空气质量；Pc、B：水汽分压力和大气压力。一般在一个地区大气压力可以看作常数，因此水汽分压越大，含湿量d也越大。含湿量在空调中用途很大，计算中经常用到它，由含湿量和焓制成的湿焓图是空调计算的基本线图。相对湿度：在一定温度下，一定的空气中只能容纳一定的水汽量，若空气中水汽量超过这个限度就会凝结成雾。这个限度的水汽量称为饱和湿度。在饱和湿度下相应有饱和水汽分压PcB、饱和绝对湿度ZB与饱和含湿量dB。未饱和空气的绝对湿度Z与饱和湿度ZB之比就叫相对湿度j。湿球温度：温度计的感温球与空气直接接触所测出的空气温度称为空气的干球温度，如果用带有水分的湿纱布包在温度计的感温球上，这样的温度计就叫湿球温度计，所测出的温度就叫湿球温度，是纱布中的水与周围空气进行热、湿交换达到最终稳定状态时的温度。露点温度：某物体被降温时其表面会出现凝结水，这是因为这些表面的空气含湿量超过了饱和含湿量，空气中的水就凝结出来，所对应的水汽凝结时的饱和含湿量的温度就叫露点温度。仪器、设备的表面温度低于空气的露点温度就会结露而损坏仪器。二、与制冷有关的热力学状态与关系（一）液体、蒸汽和状态变化物质有三种不同的存在形式(也称作相)：固态、液态和气态。我们可以做一个实验很好地显示了物质的状态是如何从液态变为气态（沸腾），从气态变为液态（冷凝）的。比如，室温下的一锅水，处于开放状态，所受到的压力为海平面的大气压，即一个大气压(1.013105N/m2)。这时我们开始把热量加入到水中，我们可以发现，随着热量的加入，水的温度不断升高。但是，在其后的一个时间点，温度会停止在100，即使继续加热，温度也不再上升了。但此时我们可以观察到液体变为气体或者说蒸汽状态了。只要还有液体存在，继续加热温度也不会升高。当所有的水都蒸发完了，这时如果继续加热，我们可以看到蒸汽的温度开始上升，超过了100。刚才我们描述的这一系列过程也可以反过来进行。将蒸汽中的热量移走（冷却），降低它的温度。继续冷却到温度不再下降时，气体开始冷凝成液体，当所有的气体全部凝结成水时，再继续移走热量会导致水的温度下降。（二）沸腾温度与压力的关系我们可以从实验过程中得出一个结论，那就是，当压力为1atm (1.013105N/m2)，温度为100时，水的状态在气态和液态之间进行变化。让我们在环境压力较高的情况下做一个同样的实验，比如1.75atm 。这时，当水的温度达到100时，继续加热，它并没有沸腾而是温度继续升高。然而当温度达到116时，沸腾过程开始了，温度保持不变直到液体完全蒸发。这表明水沸腾的温度随着压力的不同发生了变化。对于水而言，在1.75atm的压力下其沸点为116，也就是说，在低于116时，水不会沸腾。如果我们在压力为0.40atm的条件下做同样的实验，就会发现加热到沸腾的过程将在75时发生。这些事实表明，液体的沸腾和冷凝温度与它的压力有关。换言之，液体的沸腾温度随着压力的变化而变化。所有的液体的沸腾-冷凝温度与它们所承受的压力有关，只是p-t值有所不同而已。比如，在1大气压下，氨的沸点是-33.3，酒精的沸点是76. 7，铜的沸点是2,340。一般地，液体上所承受的压力越大，它的沸点就越高；压力越小，沸点越低。稍后我们要介绍一个表，其中列出了工业标准中使用的制冷剂相应的沸点的p-t值。 沸腾的过程以及沸腾温度受环境压力的影响都可以通过液体和气体的分子运动理论来进行解释。所有的物质都是由分子组成的，而物质中的分子不停地在运动，它们之间相互吸引，分子间的距离越近，吸引力就越大。当物质处于液体状态，与气体状态相比，分子之间的距离更近，因此，它们之间的吸引力也就更大。气体状态下的分子运动的速度与液体状态要快得多，因此也就具有更多的能量。这也就是为什么要想使液体沸腾需要加热的原因，热能打破了使液体分子之间保持较近的距离的吸引力，所以它们的距离加大，状态改变成为气体。物质的温度实际上就是它们的分子运动的平均速度。分子运动的平均速度越高，其温度也就越高。但事实上并非所有的分子都以平均速度在运动，而是有的快，有的慢。比如一个盛水的容器，水的温度为21，环境压力为1大气压。因此，水处于液体状态，分子运动的速度不足以使其逃逸。但其中有一小部分分子的速度高于平均速度，如果它们处于接近表面的位置，就可以从液体中逃逸。也就是说，液体的表面会有缓慢的蒸发。这会导致剩余的分子运动的更慢，因此温度更低。液体蒸发会产生轻微的冷却效果。当我们的皮肤被擦上酒精时，我们都会注意到这种效果，蒸发使酒精和我们的皮肤变凉。从液体表面逃逸的分子产生了蒸汽。施加在液体表面的压力称为蒸汽压。如果环境压力高于蒸汽压，那么液体就无法迅速蒸发，但是，如果液体的温度增加，分子的运动速度增大到足以打破那种束缚它们保持液体状态的力时，液体就沸腾了。当然，如果环境压力增大，液体的沸点也随之增加。液体的沸腾过程也就是施加的热量打破了原有的将分子束缚在一起的力，但并不会使分子的运动速度加快。这也就是为什么在沸腾的过程中温度不升高的原因。如果气体施加在液体上的压力降低到低于液体的蒸汽压，我们应该注意将会发生的现象。在这种情况下，由于环境压力低于液体的蒸汽压，液体会突然沸腾。分子所具有的能量超过了所受到的阻力，它们就迅速地逃逸了。由于能量的转移，使得剩余的液体冷却了。通过降低压力可以达到使液体沸腾的目的。这一过程对于制冷来说是十分重要的。（三）饱和、过冷和过热状态发生沸腾的温度和压力条件称为饱和状态，沸点从技术角度而言指的就是饱和温度和饱和压力。从实验中可以看出，在饱和状态下，物质存在的状态可以是液体、蒸汽或汽液混合物的状态。在饱和状态下的蒸汽称为饱和蒸汽，饱和状态下的液体称为饱和液体。饱和蒸汽是处于沸腾温度时的蒸汽，饱和液体是处于沸腾温度时的液体。当蒸汽的温度高于饱和温度（沸点）时，就称为过热蒸汽，而当液体低于饱和温度时就称为过冷液体。对于给定的压力，过热蒸汽和过冷液体可以处于许多不同的温度，但是，饱和蒸汽或液体对于给定的压力只存在一个对应的温度值。人们已经制作出了许多物质的饱和参数表，表中列出了这些物质的饱和温度、相应的饱和压力以及其它一些饱和状态的参数。水的饱和参数表常被称作饱和蒸汽表。书后附录中可以查到的水的饱和参数表。（四）显热、潜热和蒸发制冷当我们对一种物质加热，或将热量从中移出，导致其温度发生变化，但如果物质的状态保持不变，那么在这种情况下该物质的焓的变化就称为显热变化。如果对一种物质加热或将热量移出，所导致的结果是物质的状态发生了变化而温度不变，那么该物质中的焓的变化就称为潜热变化。物质的状态从液体变为气体时的焓值的变化称为汽化潜热；从气体变为液体时焓值的减少量称为凝结潜热，与汽化潜热的值相等。物质的状态从液态到气态的变化需要获取汽化潜热，而汽化过程的温度和压力保持不变。如果对一个固体状态的物质进行加热，它的温度会升高，达到某一温度后就不再继续上升，这时它的状态开始发生变化，由固体变成液体它将会熔解。相反，当我们将气体的热量移除时，它的温度会下降，最终冷凝成液体，冷凝过程温度和压力保持不变；当我们将液体的热量移除时，它的温度会下降，最终凝固成固体，凝固过程温度和压力保持不变。伴随着熔解和凝固过程的热量称为熔解潜热。伴随着汽化和冷凝过程的热量为汽化潜热冰的熔解潜热为335.2kJ/kg；而水的汽化潜热为2257kJ/kg，两者相差6倍多。当固体有显热变化（即温度变化）时，可以应用显热方程（1-11）。在极低的温度和压力条件下，某些物质可以直接从固体状态变为气体状态。这一过程称为升华，常用于生产冻干食品，可以保持食品的良好风味和外形。首先将食品冻结，然后在极低的压力下，食品中的冰会直接蒸发成水蒸汽。环境压力的突然降低会导致液体沸腾，从而产生制冷作用，这种现象我们可以从分子运动的角度进行了解释。对于一种处于液体状态的物质，如果环境压力突然降低到低于它的饱和压力，液体就会剧烈地沸腾并汽化。在低压下，分子运动的速度已经足够使它们迅速地逃逸，这在原来较高的压力下是不可能的。沸腾会使物质冷却到相应与这个较低的压力的饱和温度。当液体沸腾的时候，必须从环境物体中吸收气化潜热，这样就产生了制冷作用。在第二节中，我们将进一步讨论如何在现实中实现这一过程。如果压力足够低的话，甚至水的沸腾也可以达到制冷的目的。对于许多制冷剂都有过热蒸汽的参数表，这些过热和过冷参数还可以用图的形式给出，称作压焓图。由于压焓图可以帮助我们分析和理解制冷过程，我们会经常用到它们。压焓图将在第二节进行详细的介绍。液体的焓和比容几乎完全取决于温度而不是压力。正因为如此，饱和参数表可以用来查出过冷液体的参数，例如，从附录中我们可以看出，水在104.4时，不论是过冷状态还是饱和状态，它的焓值都是441.2 kJ/kg。为了方便起见，许多表中都列出了绝对压力和表压。列出的表压是以假设环境压力是1个大气压的条件为基础的。对于给定情况下的实际压力与此有显著的差异时，比如在高海拔地区，所列出的表压就不准确了。为了避免误差，最好在任何情况下都使用绝对压力。（五）显热方程尽管参数表可以用来查找液态制冷剂的焓值的变化，但是，我们还可以使用一种不需要参数表的方法。这种方法还可以使我们加深理解制冷过程，所以我们在此进行讨论。物质的比热定义为使1kg15的该物质的温度变化1所需要的热量。水的比热是4.19kJ/kg.。遵循比热的定义，要将m kg的物质从一个温度改变为另一个温度所需的热量为： （1-13）式中Q：热量增加或减少的净速率，kJ/s；m：物质的质量流速，kg/s；Tt2t1：物质的温度变化, 。 这个公式称为显热方程，这是由于它是应用于物质的温度发生变化而状态不变的加热或冷却过程。