47焦耳汤姆逊效应与制冷机(阅读)课件

§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(RefrigeratorCycle)p-V图上逆时针循环(制冷机)的热力学过程。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了。这正是制冷机的原理。制冷系数为了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A，制冷系数η热(4.48)§4.7焦耳-汤姆逊效应与制冷机（一）制冷循环(Refrig1从(4.49)式可以看到，制冷温度越低，制冷系数也越小。若T2为绝对零度，则制冷系数为零。因为η冷的数值可以大于1，故η冷不称为制冷机效率而称为制冷系数。（二）可逆卡诺制冷机的制冷系数可逆卡诺制冷机是由一个温度为T1的可逆等温压缩过程(这时放热Q1)、一个温度为T2(T2<T1)的可逆等温膨胀过程(这时吸热Q2)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循环来代表的。其制冷系数为(4.49)从(4.49)式可以看到，制冷温度越低，制冷系数也越小。若T2|A||Q1|Q2T1T2致冷系数

卡诺致冷机

|A||Q1|Q2T1T2致冷系数卡诺致冷机3§4.7.2焦耳-汤姆逊效应1、物体温度降低的常用方法：（1）通过温度更低的物体来冷却；（2）通过物质吸收潜热(如汽化热、吸附热、溶解热、稀释热等)来降温；（3）通过绝热膨胀降温；（4）温差电致冷(thermoelectriccooling)；（5）节流膨胀致冷(throttlingexpansioncooling)。2、焦耳—汤姆逊效应制冷机的制冷方法：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—汤姆逊效应也称节流效应。§4.7.2焦耳-汤姆逊效应1、物体温度降低的常用方法：4绝热自由膨胀（非准静态绝热过程）真空绝热刚性壁隔板T1T2对理想气体：器壁绝热：Q=0向真空膨胀：A=0热一律U1=U2T1=T2对真实气体：分子力以引力为主时T2<T1分子力以斥力为主时T2>T1（是否等温过程？）绝热自由膨胀（非准静态绝热过程）真空绝热刚性壁隔板T1T25（1）原因：水的热容量比气体的大得多，焦耳实验中气体的温度变化不宜测出，其结果不可能很准确。（2）Joule-Thomson（1845年，Joule实验，1852年J-Thomson实验,1892年，W.Thomson,被封为Kelvin勋爵)设计多孔塞实验,研究气体的内能,并发现了J-T效应.实验装置:绝热良好的管子L,多孔塞H.气体从左→右侧。稳定流动转态，在实验中维持两侧压强差恒定。节流过程在绝热条件下，高压气体经过多孔塞流到低压一边的稳定流动过程。（1）原因：水的热容量比气体的大得多，焦耳实验中气体的温度变6节流过程（throttlingprocess）通常气体是通过多孔塞或小孔向压强较低实际气体通过节流过程温度可升高或降低，这称为焦耳汤姆孙效应(Joule-Thomsoneffect)。温度降低叫正的焦耳汤姆孙效应，可用来制冷和制取液态空气。p1p2多孔塞区域膨胀—节流过程。节流过程（throttlingprocess）通常7当p1和p2保持一定，且过程绝热时：设气体通过多孔塞前：内能U1、体积V1内能U2、体积V2气体通过多孔塞后：Q=0，A=p1V1p2V2，由热力学第一律有：气体的绝热节流过程是等焓过程。p1p2多孔塞令当p1和p2保持一定，且过程绝热时：设气体通过多孔塞前：8

图4.39

图4.399图4.40节流过程图4.40节流过程10实验发现：在节流过程中，一般会在多孔塞两侧产生温度差，且温差与气体的速度的种类及多孔塞两边的压强数值有关。（3）、分析节流的热力学过程。两端开口绝热气缸中心有多孔塞，两侧维持不同压強p1,p2；且p1＞p2。简化节流装置：设想在一两端开口的绝热汽缸中心有一个多孔塞。

图4.41实验发现：在节流过程中，一般会在多孔塞两侧产生温度差，且温11在多孔塞两边各有一个活塞。在活塞上分别作用有：恒定不变，且S1=S2F1＞F2。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→V2，p1→p2,T1→T2。（1）开始时，多孔塞左边被封有一定量气体，左边：P1，V1，T1，右边：没有气体。

图4.42在多孔塞两边各有一个活塞。在活塞上分别作用有：恒定不变，且12（2）在外边力F1的推动下，气体缓慢穿过多孔塞，进入右边，但多孔塞两边始终维持F2（P2），F1（P1）。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。（3）最后，气体全部穿过多孔塞以后：右边气体：P2，V2，T2；左边：没有气体。

图4.43（2）在外边力F1的推动下，气体缓慢穿过多孔塞，进入右边，但13（4）热力学过程分析：气体在穿过多孔塞过程中，左边活塞对它所作的功为同时推动右边活塞作功，其数值为∴外界对这一定量气体所作功（净功）A：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。（4）热力学过程分析：气体在穿过多孔塞过程中，左边活塞对它所14若这定量的气体有整体的运动，还要考虑整体运动动能、重力势能的变化。节流前后，这些能量变化不大，略去。

绝热过程：Q=0由热力学第一定律得：若这定量的气体有整体的运动，还要考虑整体运动动能、重15节流过程特点：（绝热）节流过程前后焓是不变的。125页，所有的理想气体在节流过程前后的温度都不变。这已被实验所证实。实验表明，对于实际气体，若气体种类不同，初末态的温度、压强不同，节流前后温度变化情况也就不同。节流致冷效应(或称正节流效应)：一般的气体(如氮、氧、空气等)，在常温下节流后温度都降低的效应。负节流效应：对于氢气、氦气，在常温下节流后温度反而升高的效应。低温工程中利用节流致冷效应来降低温度。为了研究在不同压强、温度下的不同种类气体经节流后的温度变化，由实验在T-p图作出各条等焓线。各种节流效应：J-T效应。节流过程特点：（绝热）节流过程前后焓是不变的。163、J-T系数等焓线：在实验进行时，高压一边的压强pi和温度Ti先可任意选定，然后使另一边的压强维持一系列固定数值p1、p2……p7，测出节流后所对应的一系列末态温度T1、T2……T7，在T-p图上标出i及1、2……7点，如图4.44所示。这些点的焓都等于气体在Ti、pi时的焓值。若点数足够多，由这些点所联结起来的曲线就是等焓线。图4.44等焓线不是气体节流过程中的状态变化曲线。若节流在“i”点和“4”点的状态间进行，温度将升高；若改在“i”点与“7”点之间进行，温度就降低。3、J-T系数图4.44等焓线不是气体节流过程中的状态变化曲17等焓线作为工程上的资料可以查到，所以利用等焓线能很方便地确定节流后的温度。

图4.45氮的等焓线等焓线作为工程上的资料可以查到，所以利用等焓线能很方便地确定18等焓曲线的斜率叫做焦耳-汤姆逊系数任一条等焓线的极大值所在处值焦耳-汤姆逊系数均等于零。把这些点联结起来的曲线称为转换曲线。转换曲线以内的焦耳-汤姆逊系数为正，称为节流致冷区，转换曲线以外的区域焦耳-汤姆逊系数为负，称为节流致热区。(4.50)等焓曲线的斜率叫做焦耳-汤姆逊系数任一条等焓线的极大值所19α＞0制冷效应，正效应；α＜0负效应。实际上是等焓线上的斜率。α=0，转换曲线。理想气体的等焓线，α=0。

图4.46α＞0制冷效应，正效应；α＜0负效应。实际上是等焓20§4.7.3气体压缩式制冷机(refrigeratorwithcompressedgas)

使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：（一）蒸汽压缩式制冷机(RefrigeratorwithCompressedVapour)图4.47蒸汽压缩式制冷机§4.7.3气体压缩式制冷机图4.47蒸汽压缩式制冷机21气体被压缩、冷却到室温后通过节流膨胀就能使气体液化的制冷机称为蒸汽压缩式制冷机。如冷库用的冷冻机〔以氨(沸点-33.35℃)为制冷工质〕、冰箱与空调(以前用氟里昂为制冷剂，由于它会破坏臭氧层，现正推广使用对臭氧层不起破坏作用的新制冷工质)。（二）深度冷冻制冷机若工作气体被压缩冷却到室温后经节流尚不能使气体液化，其液化温度还远低于此节流后温度，这时必须改用另一种称为深度冷冻的循环。属于这类制冷机的主要有液氮机(0.101PMa时的液氮温度为77K)、液氦机(0.101MPa时的液氮温度为4.2K)及制氧机。工业上制得氧气是先将空气液化，然后在气液共存情况下，借助氧的沸点(90K)较高，易于冷凝，氮的沸点(77K)较低易于蒸发的特点，利用分溜等方法将氧、氮分离的。气体被压缩、冷却到室温后通过节流膨胀就能使气体液化的制22*§4.7.4热泵型空调器

制冷机不仅可用来降低温度，也可用来升高温度。例如冬天取暖，常采用电加热器，它把电功直接转变为热后被人们所利用，实际上这是很不经济的。若把这电功输给一台制冷机，使它从温度较低的室外或江、河的水中吸取热量向需取暖的装置输热，这样除电功转变为热外，还额外从低温吸取了一部分热传到高温热源去，取暖效率当然要高得多，这种装置称为热泵(heatpump)。热泵型空调器就是一台冷冻机，不过将两只热交换器分别装于室内与室外，并借助一只四通阀分别对流进及流出压缩机的高压气体的流向进行切换。*§4.7.4热泵型空调器23图4.48热泵型空调器图4.48热泵型空调器2433/200热泵对热泵作功A（图4.49)

(4.51)33/200热泵对热泵作功A（图4.49)(4.51)251→2低温吸热3→4高温放热。(4.52)1→2低温吸热3→4高温放热。(4.52)26注意：这两个过程的总吸热抵消。注意：这两个过程的总吸热抵消。2747焦耳汤姆逊效应与制冷机(阅读)课件28§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(RefrigeratorCycle)p-V图上逆时针循环(制冷机)的热力学过程。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了。这正是制冷机的原理。制冷系数为了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A，制冷系数η热(4.48)§4.7焦耳-汤姆逊效应与制冷机（一）制冷循环(Refrig29从(4.49)式可以看到，制冷温度越低，制冷系数也越小。若T2为绝对零度，则制冷系数为零。因为η冷的数值可以大于1，故η冷不称为制冷机效率而称为制冷系数。（二）可逆卡诺制冷机的制冷系数可逆卡诺制冷机是由一个温度为T1的可逆等温压缩过程(这时放热Q1)、一个温度为T2(T2<T1)的可逆等温膨胀过程(这时吸热Q2)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循环来代表的。其制冷系数为(4.49)从(4.49)式可以看到，制冷温度越低，制冷系数也越小。若T30|A||Q1|Q2T1T2致冷系数

卡诺致冷机

|A||Q1|Q2T1T2致冷系数卡诺致冷机31§4.7.2焦耳-汤姆逊效应1、物体温度降低的常用方法：（1）通过温度更低的物体来冷却；（2）通过物质吸收潜热(如汽化热、吸附热、溶解热、稀释热等)来降温；（3）通过绝热膨胀降温；（4）温差电致冷(thermoelectriccooling)；（5）节流膨胀致冷(throttlingexpansioncooling)。2、焦耳—汤姆逊效应制冷机的制冷方法：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—汤姆逊效应也称节流效应。§4.7.2焦耳-汤姆逊效应1、物体温度降低的常用方法：32绝热自由膨胀（非准静态绝热过程）真空绝热刚性壁隔板T1T2对理想气体：器壁绝热：Q=0向真空膨胀：A=0热一律U1=U2T1=T2对真实气体：分子力以引力为主时T2<T1分子力以斥力为主时T2>T1（是否等温过程？）绝热自由膨胀（非准静态绝热过程）真空绝热刚性壁隔板T1T233（1）原因：水的热容量比气体的大得多，焦耳实验中气体的温度变化不宜测出，其结果不可能很准确。（2）Joule-Thomson（1845年，Joule实验，1852年J-Thomson实验,1892年，W.Thomson,被封为Kelvin勋爵)设计多孔塞实验,研究气体的内能,并发现了J-T效应.实验装置:绝热良好的管子L,多孔塞H.气体从左→右侧。稳定流动转态，在实验中维持两侧压强差恒定。节流过程在绝热条件下，高压气体经过多孔塞流到低压一边的稳定流动过程。（1）原因：水的热容量比气体的大得多，焦耳实验中气体的温度变34节流过程（throttlingprocess）通常气体是通过多孔塞或小孔向压强较低实际气体通过节流过程温度可升高或降低，这称为焦耳汤姆孙效应(Joule-Thomsoneffect)。温度降低叫正的焦耳汤姆孙效应，可用来制冷和制取液态空气。p1p2多孔塞区域膨胀—节流过程。节流过程（throttlingprocess）通常35当p1和p2保持一定，且过程绝热时：设气体通过多孔塞前：内能U1、体积V1内能U2、体积V2气体通过多孔塞后：Q=0，A=p1V1p2V2，由热力学第一律有：气体的绝热节流过程是等焓过程。p1p2多孔塞令当p1和p2保持一定，且过程绝热时：设气体通过多孔塞前：36

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图4.3937图4.40节流过程图4.40节流过程38实验发现：在节流过程中，一般会在多孔塞两侧产生温度差，且温差与气体的速度的种类及多孔塞两边的压强数值有关。（3）、分析节流的热力学过程。两端开口绝热气缸中心有多孔塞，两侧维持不同压強p1,p2；且p1＞p2。简化节流装置：设想在一两端开口的绝热汽缸中心有一个多孔塞。

图4.41实验发现：在节流过程中，一般会在多孔塞两侧产生温度差，且温39在多孔塞两边各有一个活塞。在活塞上分别作用有：恒定不变，且S1=S2F1＞F2。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→V2，p1→p2,T1→T2。（1）开始时，多孔塞左边被封有一定量气体，左边：P1，V1，T1，右边：没有气体。

图4.42在多孔塞两边各有一个活塞。在活塞上分别作用有：恒定不变，且40（2）在外边力F1的推动下，气体缓慢穿过多孔塞，进入右边，但多孔塞两边始终维持F2（P2），F1（P1）。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。（3）最后，气体全部穿过多孔塞以后：右边气体：P2，V2，T2；左边：没有气体。

图4.43（2）在外边力F1的推动下，气体缓慢穿过多孔塞，进入右边，但41（4）热力学过程分析：气体在穿过多孔塞过程中，左边活塞对它所作的功为同时推动右边活塞作功，其数值为∴外界对这一定量气体所作功（净功）A：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。（4）热力学过程分析：气体在穿过多孔塞过程中，左边活塞对它所42若这定量的气体有整体的运动，还要考虑整体运动动能、重力势能的变化。节流前后，这些能量变化不大，略去。

绝热过程：Q=0由热力学第一定律得：若这定量的气体有整体的运动，还要考虑整体运动动能、重43节流过程特点：（绝热）节流过程前后焓是不变的。125页，所有的理想气体在节流过程前后的温度都不变。这已被实验所证实。实验表明，对于实际气体，若气体种类不同，初末态的温度、压强不同，节流前后温度变化情况也就不同。节流致冷效应(或称正节流效应)：一般的气体(如氮、氧、空气等)，在常温下节流后温度都降低的效应。负节流效应：对于氢气、氦气，在常温下节流后温度反而升高的效应。低温工程中利用节流致冷效应来降低温度。为了研究在不同压强、温度下的不同种类气体经节流后的温度变化，由实验在T-p图作出各条等焓线。各种节流效应：J-T效应。节流过程特点：（绝热）节流过程前后焓是不变的。443、J-T系数等焓线：在实验进行时，高压一边的压强pi和温度Ti先可任意选定，然后使另一边的压强维持一系列固定数值p1、p2……p7，测出节流后所对应的一系列末态温度T1、T2……T7，在T-p图上标出i及1、2……7点，如图4.44所示。这些点的焓都等于气体在Ti、pi时的焓值。若点数足够多，由这些点所联结起来的曲线就是等焓线。图4.44等焓线不是气体节流过程中的状态变化曲线。若节流在“i”点和“4”点的状态间进行，温度将升高；若改在“i”点与“7”点之间进行，温度就降低。3、J-T系数图4.44等焓线不是气体节流过程中的状态变化曲45等焓线作为工程上的资料可以查到，所以利用等焓线能很方便地确定节流后的温度。

图4.45氮的等焓线等焓线作为工程上的资料可以查到，所以利用等焓线能很方便地确定46等焓曲线的斜率叫做焦耳-汤姆逊系数任一条等焓线的极大值所在处值焦耳-汤姆逊系数均等于零。把这些点联结起来的曲线称为转换曲线。转换曲线以内的焦耳-汤姆逊系数为正，称为节流致冷区，转换曲线以外的区域焦耳-汤姆逊系数为负，称为节流致热区。(4.50)等焓曲线的斜率叫做焦耳-汤姆逊系数任一条等焓线的极大值所47α＞0制冷效应，正效应；α＜0负效应。实际上是等焓线上的斜率。α=0，转换曲线。理想气体的等焓线，α=0。

图4.46α＞0制冷效应，正效应；α＜0负效应。实际上是等焓48§4.7.3气体压缩式制冷机(refrigeratorwithcompressedgas)

使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：（一）蒸汽压缩式