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1、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 前面讨论过 p V 图上顺时针循环(热机)的热力学过程。现在讨论逆时针循环(致冷机)的热力学过程。如图所示。,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。这正是制冷机的原理。,为了能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 W，故定义,(二)制冷系数,另外,因为 冷 的数值可以大于1，故不称为制冷机效率而称为制冷系数。,为什么 W=Q1-Q2?,(三)可逆卡诺制冷机的制冷系数,图示2-1-4-3-1的逆时
2、针循环是可逆卡诺制冷机循环。它在温度 T1 等温压缩放热 Q1,在温度 T2(T2 T1)等温膨胀吸热 Q2,还各有一个绝热压缩、绝热膨胀过程。,可以看到，制冷温度越低，制冷系数也越小。若为绝对零度，则制冷系数为零。,其制冷系数为,4.7.2 焦耳-汤姆逊效应,使物体温度降低的常用方法有下列五种：通过温度更低的物体来冷却；通过吸收潜热(如汽化热、吸附热、溶解热、稀释热等)来降温；通过绝热膨胀降温；温差电致冷；节流膨胀致冷。,大多数制冷机都是通过（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
3、,也称节流效应。下图为焦耳-汤姆逊实验示意图。,实验发现，这时在多孔塞两边的气体的温度一般并不相等，温度差的大小和气体种类及多孔塞两边的压强的数值有关。,目前在工业上是使气体通过节流阀或毛细管来实现节流膨胀的。,下面讨论多孔塞实验,如图所示。,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 p1 p2。图（a）是节流前多孔塞左边的活塞尚未运动时气体的热力学状态（初态）。图（b）是活塞将气体全部压到多孔塞右边时气体的状态（末态）。,显然,气体在中间经历的都是非平衡态。（为什么?）,.,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 变为 V2，p1 变为 p2,
4、T1 变为 T2。,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。气体穿过多孔塞过程中，左边活塞对气体作功,气体推动右边活塞作功,理想气体在节流过程前后的温度都不变。为什么?但是一般气体在常温下节流会致冷。低温工程利用节流致冷效应来降低温度。但对于氢气、氦气，在常温下节流后温度反而升高，称为负节流效应。它们只有在足够低温度下才呈现正节流效应。,外界对定量气体所作的净功为,注意到绝热过程 Q=0，则由第一定律,用以研究节流过程的等焓线,4.7.3 气体压缩式制冷机,气体制冷工质先后经压缩、冷却、节流膨胀等手段，最后制得低温液体的制冷机称为气体压缩式制冷机。它分为如下两种：(1)蒸汽压缩式制冷机;(2)深度冷冻制冷机。,(一)蒸汽压缩式制冷机,气体被压缩、冷却到室温后就能完全变为液体,然后通过节流膨胀降低温度的制冷机称为蒸汽压缩式制冷机。,如冷库、冰箱与空调用的冷冻机。蒸汽压缩式制冷机的循环过程示于下图:,(二)深度冷冻制冷机,
