1、第二章热力学定律 主编第一节热力学第一定律一、热力学第一定律的基本表达式图2-1开口系统微元分析示意图 在制冷技术中，实现热量转移和热量交换的理论基础是热力学。热力学是以实验事实为基础，从能量转化和守恒的观点出发，分析研究物态的变化过程。热力学基本定律是制冷工程的热力学基础。对于任何系统，各种能量之间的平衡关系可一般地表示为输入系统的能量-输出系统的能量=系统储存能量的变化(2-1)其中，系统的能量包括工质的动能、位能、内能和流动功，二、闭口热力系统能量方程因此，闭口热力系统的特征是与外界无质量交换，即(e2dm2-e1dm1)=0；闭口热力系统对外做功或外界对系统做功只能是容积功，即W总=W
2、；系统工质的动能与位能不会变化，对于理想气体的可逆过程，容积功第二节稳定流动能量方程及其应用一、稳定流动能量方程 制冷与空调设备中的工质可以视作稳定流动，也就是说工质的流动状况不随时间而改变，即任一流通截面上工质的各种参数(包括热力学状态参数)不随时间而变化，这种流动称为稳定流动。工程上常用的热力设备除起动、停止或者加减负荷外，大部分时间是在稳定条件下运行，即工质的流动状态是稳定的。1kg工质作稳定流动时的能量方程为二、稳定流动能量方程的应用(一)制冷压缩机在制冷系统中，工质流经压缩机其宏观动能与重力势能的变化相对于外界提供的轴功ws来说很小，可以忽略不计；在此过程中向外界的散热量也相对很小，
3、可近似为绝热的，即q=0。(二)膨胀阀膨胀阀是制冷系统的减压元件，它的作用有两个：一是将高压制冷剂液体节流减压，二是调节蒸发器的供液量。工质流经膨胀阀时，由于流道截面突然减小，需克服阻力导致压力下降，温度也同时下降。工质流经膨胀阀所历时间很短，与外界交换的热量很少，可近似为绝热的，即q=0；工质进出膨胀阀宏观动能与重力势能的变化都很小，可以忽略不计，节流过程工质与外界无功交换，ws=0。二、稳定流动能量方程的应用(三)热交换器在制冷系统，工质流经制冷设备的热交换器（如冷凝器、蒸发器等）时，只有吸热或放热，而对外界未做轴功，即ws=0；其宏观动能与重力势能的变化相对于传热的热量也很小，可忽略不计
4、。(四)喷管和扩压管喷管的作用是通过降低工质的压力来提高其流速。扩压管的作用与喷管相反，它通过降低工质的流速来提高其压力。工质流经喷管或扩压管，可近似为绝热的，q=0；与外界无功交换，ws=0；重力势能的变化可忽略不计。第三节热力学第二定律 热力学第一定律指出，任何能量转换和传递的热力过程必然遵守能量转换和守恒定律。根据热力学第一定律，可以确定热力过程中能量转换的数量关系。但是，热力学第一定律没有指出能量转化的方向和必备条件。解决这一问题是热力学第二定律的任务。热力学第二定律与热力学第一定律一样也是事实的总结。根据对热现象不同侧面的观察结果，得到热力学第二定律的具体表述各不相同。下面有两种常见
5、的说法：1.克劳修斯说法(1850)热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。2.开尔文、普朗克说法(1851)不可能制造只从一个热源取得热量，使之完全变成机械能而不引起其他变化的发动机。第四节卡诺循环与卡诺定理一、卡诺循环(一)卡诺循环的组成1824年法国工程师卡诺描述了一个工作于两个热源之间，实现机械能与热能相互转换的一个循环，即卡诺循环。当循环逆向进行时称为逆卡诺循环。图2-2无温差传热系统一、卡诺循环图2-3卡诺循环的温熵图。正向卡诺循环温熵图如图2-3a所示。在图2-3a中，T为热力学温度，s为熵，高温热源的温度为T1，低温热源的温度为T2。图中12为等温吸热过程，23为等熵
6、膨胀过程，34为等温放热过程，41为等熵压缩过程。图2-3b为逆卡诺循环，其过程与正卡诺循环正好相反。(二)制冷系数和供热系数统的能量为q2+w，输出系统的能量为q1，并且由于通过循环工质回复到初态，系统储存的能量不变。根据热力学第一定律应有制冷机工作的好坏用制冷系数来衡量，制冷系数1表示工质从低温物体吸取的热量与外界消耗的机械功之比。制冷循环从热源吸收的热量为q2，消耗外功为w，因此制冷系数的计算通式为对于逆卡诺循环，同样有q1=T1(s4-s1)，q2=T2(s3-s2)。代入上式可得逆卡诺循环的供热系数为一、卡诺循环制冷循环是从低温热源吸热，向高温热源放热，即逆向卡诺循环。应用逆卡诺循环
7、的目的有两种：一是制冷，即获得需要的低温环境，如电冰箱、空调等；二是供热，如在冬季使用的热泵型房间空调器，就是从温度相对较低的室外大气环境吸热，向温度相对较高的室内供热，以达到取暖的目的。例2-3若家用空调在夏季制冷时，在10的低温热源和30的高温热源之间工作，并假定其循环为逆卡诺循环，求它的制冷系数。解1C=10+273/（30+273）-（10+273）=14.15一、卡诺循环例2-4冬天用一热泵对房屋供热，若房屋热损失是每小时40000kJ，室外环境温度为-5，问要使房屋内部保持室温为20，则带动该热泵所需的最小功率是多少？若直接采用电炉采暖，则需消耗多少功率？解当热泵按逆卡诺循环工作时
8、，其供热系数最高，带动热泵所需功率就最小。因此，应按逆卡诺循环计算。二、卡诺定理图2-4卡诺定理的证明下面对卡诺定理进行验证。设可逆热机R(即卡诺机)和任意热机1工作在两个热源之间，如图2-4a所示。调节两个热机，使它们所做的功相等。设可逆热机R从高温热源吸收热量为Q1，做功为W，向低温热源释放的热量为Q1-W，则其热机效率为由卡诺定理可以得出两个推论：推论一：在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机，具有相同的热效率，且与工质性质无关。推论二：在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆热机，其热效率总小于在这两个热源间工作的可逆热机的热效率。根据卡诺定理，对于工作于高温热源T1和低温热源T2之间的一切热机的效率可表示为同样，根据卡诺定理，对于工作于高温热源T1和低温热源T2之间的一切制冷机的制冷系数可表示为
