工程热力学是研究能量及其转化以及与物质状态关系的学科。这一章主要涉及将热力学应用于制冷循环。首先,我们回顾第一和第二热力学定律,并介绍计算热力学性质的方法。其次,我们将探讨压缩式和吸收式制冷循环,这是两种常见的热能转移方式。
**第一部分:热力学基础**
1. **第一定律(能量守恒定律)**:也称为热力学第一定律,它表明能量不能被创造或消失,只能从一个形式转化为另一个形式。在系统中,能量的净变化等于传入系统的热量(Q)与系统对外做的功(W)之和。数学表达为 ΔU = Q - W,其中ΔU是内能的变化。
2. **第二定律(熵增原理)**:热力学第二定律指出,在自发过程中,封闭系统的熵总是增加或保持不变,而自发过程的方向是由系统熵的总增加来决定的。在制冷循环中,这意味着系统必须向环境排放足够的热量,以确保整个过程的熵不减少。
**第二部分:制冷循环**
1. **压缩式制冷循环**:这种循环基于蒸汽压缩机的工作,它将低温低压的制冷剂气体压缩成高温高压气体,然后在冷凝器中释放热量,转化为液体。随后,通过膨胀阀减压,液体转变为低温低压的饱和蒸气,进入蒸发器吸热制冷。
2. **吸收式制冷循环**:这种循环利用化学反应来转移热量,而不是机械压缩。常见的吸收式制冷剂对包括氨-水和水-锂溴化物。在吸收器中,制冷剂气体被吸收剂溶液吸收,形成低沸点混合物。然后在发生器中,通过加热分离出制冷剂气体,再进行制冷循环。
**第三部分:能量形式与转换**
1. **内部能量**:由分子运动和/或分子间力引起的能量,包括分子的动能和势能。
2. **势能**:由于分子间的吸引力或系统相对于水平参考平面的高度引起的能量,计算公式为 PE = mgh。
3. **动能**:由分子速度引起的能量,表达式为 KE = (1/2)mv²。
4. **化学能**:由原子在分子中的排列方式产生的能量,例如燃料的燃烧。
5. **核能**:源自维持原子核中质子和中子结合的力,如核裂变和核聚变。
**热能转移**:热量(Q)是能量在不同温度系统之间传递的机制,总是从高温区域流向低温区域。制冷循环就是利用这一原理,通过蒸发和冷凝过程,将热量从低温环境转移到高温环境,从而实现制冷。
总的来说,热力学和制冷循环是理解和设计各种制冷设备和技术的基础,包括空调、冰箱和工业冷却系统等。这些理论不仅对工程师至关重要,而且对于理解自然界的能量流动也有深远意义。