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明确了“热的动力与用来实现动力的介质无关,动力的量仅由最终影响热素传递的物体之间的温度来确定”,指明了循环工作热机的效率有一极限值,而按可逆卡诺循环工作的热机所产生的效率最高。
实际上卡诺的理论已经深含了热力学第二定律的基本思想,但由于受到热质说的束缚,使他当时未能完全探究到问题的底蕴。
1832年8月24日卡诺因染霍乱症在巴黎逝世,年仅36岁。
按照当年的防疫条例,霍乱病者的遗物一律付之一炬。
卡诺生前所写的大量手稿被烧毁,幸得他的弟弟将他的小部分手稿保留了下来,其中有一篇是仅有21页纸的论文----《关于适合于表示水蒸汽的动力的公式的研究》,其余内容是卡诺在1824-1826年间写下的23篇论文。
后来,卡诺的学术地位随着热功当量的发现,热力学第一定律、能量守恒与转化定律及热力学第二定律相继被揭示的过程慢慢形成了
热力学第一定律与能量守恒定律有着极其密切的关系。
德国物理学家、医生迈尔(JuliusRobertMayer,1814~1878)(左图)1840年2月到1841年2月作为船医远航到印度尼西亚。
他从船员静脉血的颜色的不同,发现体力和体热来源于食物中所含的化学能,提出如果动物体能的输入同支出是平衡的,所有这些形式的能在量上就必定守恒。
他由此受到启发,去探索热和机械功的关系。
他将自己的发现写成《论力的量和质的测定》一文,但他的观点缺少精确的实验论证,论文没能发表(直到1881年他逝世后才发表)。
迈尔很快觉察到了这篇论文的缺陷,并且发奋进一步学习数学和物理学。
1842年他发表了《论无机性质的力》的论文,表述了物理、化学过程中各种力(能)的转化和守恒的思想。
迈尔是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人。
但1842年发表的这篇科学杰作当时未受到重视。
以后英国杰出的物理学家焦耳(JamesPrescortJoule,1818~1889)(右图)、德国物理学家亥姆霍兹(HermannvonHelmholtz,1821~1894)等人又各自独立地发现了能量守恒定律。
1843年8月21日焦耳在英国科学协会数理组会议上宣读了《论磁电的热效应及热的机械值》论文,强调了自然界的能是等量转换、不会消灭的,哪里消耗了机械能或电磁能,总在某些地方能得到相当的热。
焦耳用了近40年的时间,不懈地钻研和测定了热功当量。
他先后用不同的方法做了400多次实验,得出结论:
热功当量是一个普适常量,与做功方式无关。
他自己1878年与1849年的测验结果相同。
后来公认值是427千克重·
米每千卡。
这说明了焦耳不愧为真正的实验大师。
他的这一实验常数,为能量守恒与转换定律提供了无可置疑的证据。
1847年,亥姆霍兹(左图)发表《论力的守恒》,第一次系统地阐述了能量守恒原理,从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程,揭示其运动形式之间的统一性,它们不仅可以相互转化,而且在量上还有一种确定的关系。
能量守恒与转化使物理学达到空前的综合与统一。
将能量守恒定律应用到热力学上,就是热力学第一定律。
热力学第二定律是在能量守恒定律建立之后,在探讨热力学的宏观过程中而得出的一个重要的结论。
1834年,卡诺去世两年后,卡诺的《谈谈火的动力和能发动这种动力的机器》才有了第一个认真的读者----克拉派隆(BenoitPaulEmileClapeyron,1799-1864)(右图)。
他比卡诺低几个年级。
他在学院出版的杂志上发表了题为《论热的动力》的论文,用P-V曲线翻译了卡诺循环,但未引起学术界的注意。
英国物理学家开尔文(LordKelvin,1824-1907)(左图)在法国学习时,偶尔读到克拉派隆的文章,才知道有卡诺的热机理论。
然而,他找遍了各图书馆和书店,都无法找到卡诺的1824年论著。
实际上,他根据克拉派隆介绍卡诺理论写的《建立在卡诺热动力理论基础上的绝对温标》一文在1848年发表。
1849年,开尔文终于弄到一本他盼望已久的卡诺著作。
1851年开尔文从热功转换的角度提出了热力学第二定律的另一种说法,不可能从单一热源取热,使之完全变为有用功而不产生其他影响;
或不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低,从而获得机械功。
德国物理学家克劳修斯(RudolphJuliusEmmanuelClausius,1822-1888)(右图)一直没弄到卡诺原著,只是通过克拉派隆和开尔文的论文熟悉了卡诺理论。
1850年克劳修斯从热量传递的方向性角度提出了热力学第二定律的表述:
热量不可能自发地、不花任何代价地从低温物体传向高温物体,他还首先提出了熵的概念
英国物理学家克拉克.麦克斯韦(JamesClerkMaxwell,1831~1879)(左图)是经典电磁理论的奠基人。
但他兴趣广泛,才智过人,不但是建立各种模型来类比不同物理现象的能手,更是运用数学工具来分析物理问题的大师。
他在热力学领域中也做出了贡献。
1859年他用统计方法导出了处于热平衡态中的气体分子的“麦克斯韦速率分布律”。
1877年,奥地利物理学家玻尔兹曼(LudwigEduardBoltzmann,1844~1906)(右图)发现了宏观的熵与体系的热力学几率的关系。
他在使科学界接受热力学理论、尤其是热力学第二定律方面立下了汗马功劳。
2.热力学温标
温度,从宏观上看是物体冷热的程度,从微观上看是分子平均动能的大小。
摄氏度是目前世界使用比较广泛的一种温标,它是18世纪瑞典天文学家安德斯·
摄尔修斯提AndersCelsius(1701-1744)出来的。
他把水的沸点定为一XX,冰点定为零度,其间分成一百等分,一等分为一度。
1714年德国人法勒海特GabrielD.Fahrenheir(1681-1736)以水银为测温介质,制成玻璃水银温度计,选取氯化铵和冰水的混合物的温度为温度计的零度,人体温度为温度计的100度,把水银温度计从0度到l00度按水银的体积膨胀距离分成100份,每一份为1华氏度,记作“1℉”。
按照华氏温标,则水的冰点为32℉,沸点为212℉。
摄氏度与华氏度的换算关系为:
华氏度=32+摄氏度×
1.8
摄氏度=(华氏度-32)÷
国际上规定热力学温标作为测量温度的最基本温标,它是根据热力学第二定律制定的,与物质无关。
热力学温标的温度单位为开尔文,符号为K,把水的三相点的温度,即水的固相、液相和气相平衡共存状态的温度作为单一基准点,规定其273.16K。
因此,1K就等于水的三相点的1/273.15。
1960年,国际计量大会通过决议,规定摄氏温度由热力学温度移动零点而来,即:
t=T-273.15K
式中,t为摄氏温度,其温度单位为摄氏度,符号为℃。
T为热力学温标。
由式可知,热力学温标与摄氏温标并无实质差异,仅仅是零点取值不同。
3.基本传热过程
热从温度高的物体传到温度低的物体,或者从物体的高温部分传到低温部分,这种现象叫做热传递。
热传递是自然界普遍存在的一种自然现象。
只要物体之间或同一物体的不同部分之间存在温度差,就会有热传递现象发生,并且将一直继续到温度相同的时候为止。
发生热传递的唯一条件是存在温度差,与物体的状态,物体间是否接触都无关。
热传递的结果是温差消失,即发生热传递的物体间或物体的不同部分达到相同的温度。
在热传递过程中,物质并未发生迁移,只是高温物体放出热量,温度降低,内能减少(确切地说是物体里的分子做无规则运动的平均动能减小),低温物体吸收热量,温度升高,内能增加。
因此,热传递的实质就是内能从高温物体向低温物体转移的过程,这是能量转移的一种方式。
热传递有三种方式:
传导、对流和辐射。
物体各分子间不发生相对位移时,依靠分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为传导
单位时间内通过某一特定面积的热量称为热流量,记作Q,单位为W。
单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度,记为q,单位为W/。
其计算公式为
式中λ称为导热系数,表达的是物体靠传导传递热量的能力。
其数值越大,物体导热能力越好。
对流是指流体各部分之间发生相对位移,冷热流体互相掺混所引起册热量传递方式。
对流只能发生在流体中,并且必然伴随着导热现象。
工程上没有纯粹的对流传热,常遇到的是流体流过物体表面时对流和传导联合作用的热量传递过程,被称为对流换热。
以引起对流的原因来区分,对流可分为自然对流和强制对流。
自然对流是流体各部分密度不同而引起的,比如热的烟气上升。
如果流体的流动是由于外力所造成的压力差造成的,则称为强制对流。
工程上还有液体在热表面上沸腾和在冷表面上凝结的对流换热过程,分别成为沸腾换热和凝结换热。
他们是伴有相变过程的对流换热。
对流换热的基本计算公式是牛顿冷却公式,写做
式中Δt表示壁面温度与流体温度之差,约定总是取正值。
F为换热面积。
α称为对流换热系数,单位为W/(㎡·
℃)。
换热系数的大小与换热过程中的许多因素有关,除了物体的物理性质(密度,比热容,导热系数,流体粘度)有关之外,还与换热面形状与布置以及流体的流速流态有关。
几种常见的换热过程,其换热系数如下。
需要记住,空气的对流换热是几十,而水则是几千到几万。
物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。
物体会应各种原因发出电磁波,其中因热的原因而发射电磁波的现象称为热辐射。
物体不断发射电磁波,同时也不断吸收别的物体放出的电磁波。
这发射与吸收过程,构成了热量在两物体之间的传递,被称为辐射换热。
辐射换热与传导和对流的区别之一在于,在热量传递的过程中,不光有能量的转移,还有能量形式的变化。
而辐射传热的发生,不需要任何媒介物质。
所有温度高于绝对0度的物体都会辐射电磁波,同时也吸收电磁波。
当它与环境温度一致,达到热平衡时,辐射也达到平衡。
实验也表明,物体的辐射能力与温度有关。
我们假设有一种物体能吸收所有的辐射,同时在被加热时也能把所有获得的热量以辐射的形式发射出去。
这种物体被称为黑体。
黑体在单位时间能的辐射量,可以用如下公式计算:
其中,T为物体的绝对温度,单位K。
σ0为黑体辐射强度,是个自然常数,大小为5.67×
10-8W/(㎡·
K4)。
F为表面积,单位为㎡。
一切实际物体的辐射能力都小于同温度下的黑体,其计算方法为:
其中ε称为物体的黑度,其值总是小与1。
其他符号与上式相同。
应当指出,以上公式仅用于计算辐射量。
而物体的辐射换热量,还要计算其吸收量后计算收支总量。
以上讨论了三种基本换热方式。
实际问题中,三种方式往往同时出现,不光表现为几个环节的串联的过程,就是一个环节之内也是如此。
比如在锅炉中,热量传递如下:
但是在分析问题时,要懂得如何分析单个换热过程中哪种方式占主导,而哪种方式传递的热量可以忽略,从而简化计算的过程。
4.卡诺循环
1)概述
卡诺循环是热力学中最理想的一种可逆循环。
它以理想气体为工作物质,由两个等温过程和两个绝热过程所组成。
这种循环过程是法国物理学家、工程师卡诺于1824年提出的。
2)卡诺循环
①在整个循环过程中,理想气体经过一系列的状态变化以后,其内能不变,但要作功,并有热量交换。
循环分为四个过程进行。
在p-V图上用两条等温线和两条绝热线表示(如图)。
图中曲线AB和CD是温度为T1和T2的两条等温线,曲线BC和DA是两条绝热线。
我们讨论按p-V图上顺时针方向沿封闭曲线ABCDA进行的循环。
这种循环叫做正循环,工作物质作正循环的机器叫做热机,它是把热转变为功的一种机器。
第一过程:
A→B,等温膨胀,Q1=EB-EA+W1;
第二过程:
B→C,绝热膨胀,O=EC-EB+W2;
第三过程:
C→D等温压缩,-Q2=ED-EC-W3;
第四过程:
D→A,绝热压缩,O=EA-ED-W4
把上面四式相加得Q1-Q2=W1+W2-W3-W4=W。
式中Q1是从高温热源吸收的热量,Q2是向低温热源放出的热量,W是理想气体(工作物质)对外所作的净功,在数值上等于p-V图上封闭曲线所包围的面积。
Q1-Q2=W。
上式表示,理想气体经过一个正循环,从高温热源吸收的热量Q1,一部分用于对外作功,另一部分则向低温热源放出(如上图)。
即热量Q1不能全部转换为功W,转换为功的只是Q1-Q2。
通常把热机的热效率表示为ηt=W/Q1=(Q1-Q2)/Q1=1-Q1/Q2。
由于Q2不可能等于零,所以热机热效率总是小于l,ηt常用百分比表示。
②卡诺从理论上进一步证明,在卡诺循环中,
等温膨胀时吸收的热量Ql=nRTl1nV2/V1
(1)
等温压缩时放出的热量Q2=nRT2lnV3/V4,
(2)
由绝热方程式TVγ-1=常量,可得T1V2γ-1=T2V3γ-1(3)
T1V1γ-1=T2V4γ-1(4)
式中的T1表示高温热源的绝对温度,T2表示低温热源的绝对温度。
公式表明:
一切热机要完成一次循环,都必须有高温和低温两个热源。
热机的热效率只和两个热源的温度有关,和工作物质无关。
两个热源的温差愈大,热效率愈高,也就是从热源所吸收的热量的利用率愈大。
要提高热效率必须提高高温热源的温度,或降低低温热源的温度。
一般采取前者。
公式为人们指出了一条提高热机效率的途径。
③卡诺循环也可以按p-V图的逆时针方向沿封闭曲线ADCBA进行,这种循环,叫做逆循环。
在这个逆循环中,外界必须对这个从低温热源吸取热量的系统作功,只要将逆循环重复下去,就可以从低温热源中取出任意数量的热量。
作逆循环的机器叫制冷机,它是利用外界作功获得低温的机器。
沿逆卡诺循环运行的设备,以从低温环境中取走热,并以保持低温为目的的,就是制冷机,空调、冰箱等都属于制冷机。
而向高温物体(比如热水)提供热量并保持其高温的,就是热泵。
5.压焓图
1)焓
一定量的空气,具有一定的温度,说明其分子具有内能。
内能表征的分子热运动所具有的能量的多少,记作U。
同时,气体有对对外界膨胀作功的能力,在定压条件下,可以记做P·
ΔV。
则U+P·
ΔV,所表示的就是一定量的气体所具有的全部能量——既包括微观的分子动能,也包括宏观的压力势能。
我们用焓表示之,记作H,其单位为焦尔J。
2)压焓图
压焓图的结构如下图所示。
以绝对压力为纵坐标(为了缩小图的尺寸,提高低压区域的精度,通常纵坐标取对数坐标),以焓值为横坐标。
图中临界点K左边的粗实线为饱和液体线,线上的任何一点代表一个饱和液体状态,干度x=0。
右边的粗实线为饱和蒸气线,线上任何一点代表一个饱和蒸气状态,干度x=1。
这两条粗实线将图分为三个区域:
饱和液体线的左边为过冷液体,过冷液体的温度低于相同压力下饱和液体的温度;
饱和蒸气线的右边是过热蒸气区,该区域内的蒸气称为过热蒸气,它的温度高于同一压力下饱和蒸气的温度;
两条线之间的区域为两相区,制冷剂在该区域内处于气、液混合状态(湿蒸气状态)。
图中共有六种等参数线簇:
等压线----水平线;
等焓线----垂直线;
等温线----液体区几乎为垂直线。
两相区内,因制冷剂状态的变化是在等压、等温下进行,故等温线与等压线重合,是水平线。
过热蒸气区为向右下方弯曲的倾斜线;
等熵线----向右上方倾斜的实线;
等容线----向右上方倾斜的虚线,比等熵线平坦;
等干度线----只存在于湿蒸气区域内,其方向大致与饱和液体线或饱和蒸气线相近,视干度大小而定。
二、蒸汽压缩循环
1.蒸汽压缩式制冷原理
1)相变制冷
物质有三种集态气态、液态、固态。
物质状态的改变称之为相变。
相变过程中,由于物质分子的重新排列和分子热运动速度的改变,会吸收或放出热量。
这种热量称作潜热。
物质发生从质密态到质稀态的相变是将吸收潜热;
反之,当它发生有质稀态向质密态的相变时,则放出潜热。
物质相变制冷是利用液体在低温下的蒸发过程及固体在低温下的熔化或升华过程向被冷却物体吸收热量---即制冷量。
因此,相变制冷分为液体气化制冷与固体熔化与升华制冷,由于液体自身具有流动性,液体气化制冷是广泛应用的。
液体汽化成蒸气的过程吸收热量,从而达到制冷的目的,为了使其连续不断地工作,成为一个循环,便必须使制冷剂在低压下蒸发汽化、蒸气升压、高压气体液化和高压液体降压。
蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、蒸气喷射式和吸附式制冷都具备上述四个基本过程,属于液体汽化制冷。
由于蒸汽压缩式制冷在实际的应用中占90%以上,下面就仅介绍蒸汽压缩式制冷原理。
2)蒸汽压缩式制冷原理
单级蒸气压缩式制冷系统如下图所示。
它由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。
其工作过程如下:
制冷剂在蒸发压力下沸腾,蒸发温度低于被冷却物体或流体的温度。
压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸气,并将它压缩到冷凝压力,然后送往冷凝器,在冷凝压力下等压冷却和冷凝成液体。
制冷剂冷却和冷凝时放出的热量传给冷却介质(通常是水或空气)与冷凝压力相对应的冷凝温度一定要高于冷却介质的温度,冷凝后的液体通过膨胀阀或其它节流元件进入蒸发器。
当制冷剂通过膨胀阀时,压力从冷凝压力降到蒸发压力,部分液体气化,剩余液体的温度降至蒸发温度,于是离开膨胀阀的制冷剂变成温度为蒸发温度的两相混合物。
混合物中的液体在蒸发器中蒸发,从被冷却物体中吸取它所需要的气化潜热。
混合物中的蒸气通常称为闪发蒸气,在它被压缩机重新吸入之前几乎不再起吸热作用。
在整个循环过程中,压缩机起着压缩和输送制冷剂蒸气并造成蒸发器中低压力、冷凝器中高压力的作用,是整个系统的心脏;
节流阀对制冷剂起节流降压作用并调节进入蒸发器的制冷剂流量;
蒸发器是输出冷量的设备,制冷剂在蒸发器中吸收被冷却物体的热量,从而达到制取冷量的目的;
冷凝器是输出热量的设备,从蒸发器中吸取的热量连同压缩机消耗的功所转化的热量的冷凝器中被冷却介质带走。
根据热力学第二定律,压缩机所消耗的功(电能)起了补偿作用,使制冷剂不断从低温物体中吸热,并向高温物体放热,从而完整个制冷循环。
2.蒸汽压缩式制冷理论循环的热力计算
在进行制冷循环的热力计算之前,首先需要了解系统中各设备内功和热量的变化情况,然后再对循环的性能指标进行分析和计算。
根据热力学第一定律,如果忽略位能和动能的变化,稳定流动的能量方程可表示为
(1)
式中Q和P是单位时间内加给系统的热量和功;
qm是流进或流出该系统的稳定质量流量;
h是比焓;
下标1和2分别表示流体流进系统和离开系统的状态点。
当热量和功朝向系统时,Q和P取正值。
1)节流阀
制冷剂液体通过节流孔口时绝热膨胀,对外不作功,P=0,故方程式
(1)变为
(2)
因此,可认为节流前后其值不变。
节流阀出口处(点4)为两相混合物,它的焓值也可由下式表示:
式中hf0和hg0分别为蒸发压力p0下饱和液体和饱和蒸汽的焓值;
x4为制冷剂出节流阀时的干度。
将上式移项并整理得
(3)
点4比容为
(4)
式中Vf0和Vg0分别为蒸发温度t0下饱和液体和饱和蒸汽的比容。
2)压缩机
如果忽略压缩机与外界环境所交换的热量,则由式
(1)得
(5)
式中(h2-h1)表示压缩机每压缩并输送1kg的制冷剂所消耗的功,称为理论比功。
3)蒸发器
被冷却物质通过蒸发器向制冷剂传送Q0,因为蒸发器不作功,故方程式
(1)变为
(6)
由上式可以看出制冷量与两个因数有关:
制冷剂的质量流量qm和制冷剂进出口蒸发器的焓差(h1-h4)。
(h1-h4)称为单位质量制冷量,它表示1kg制冷剂在蒸发器内从被冷却物质中吸取的热量,用q0表示。
质量流量与容积qv有如下关系:
(7)
用压缩机进口出V1代入上式得:
(8)
将方程(8)代入(6)得:
(9)
4)冷凝器
假设制冷剂在冷凝器中向外界放出热量为Qk,那么
(10)
式中(h2-h3)称为冷凝器单位热负荷,用qv表示。
它表示1kg制冷剂蒸汽在冷凝器中放出的热量。
5)制冷系数
按定义,在理论循环中,制冷系数可用下式表示
(11)
三、空气源热泵热水器
1.热泵的原理
所谓热泵,就是一种利用人工技术将低温热能转换为高温热能而达到供热效果的机械装置。
热泵由低温热源(如周围环境的自然空气、地下水、河水、海水、污水等)吸收热能,然后转换为较高温热源释放至所需的空间(或其它区域)内。
这种装置即可用作供热采暖设备,又可用作制冷降温设备,从而达到一
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