制冷设备中的热力学基础知识

1.热力学第一定律

热可以转变为功，功也可以转变成热；一定量的热消失时，必然伴随产生相应量的功；消耗一定的功时，必然产生与之对应量的热。

2.热力学第二定律

热不能自发地，不付出代价地，从低温物体传至高温物体。

3.热传导

热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一系统的现象称为热传导。

.热对流

液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的过程。对流是液体和气体中热传递的特有方式，气体的对流现象比液体明显。对流可分为自然对流和强迫对流两种。

热辐射

固体、液体和气体因其温度而产生的以电磁波形式辐射的能量。温度越高，辐射越强。物体因自身的温度而具有向外发射能量的本领，这种热传递的方式称为热辐射。热辐射虽然也是热传递的一种方式，但它和热传导、对流不同。它能不依靠媒质把热量直接从一个系统传给另一系统。热辐射以电磁辐射的形式发出能量，温度越高，辐射越强。辐射的波长分布情况也随温度而变，如温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，在 500℃ 或更高的温度时，则顺次发射可见光或紫外辐射。热辐射是远距离传热的主要方式，如太阳的热量就是以热辐射的形式，经过宇宙空间再传给地球的。

热力系统

（1）开口系统：与外界有物质交换的系统。此时，系统内物质的质量可以发生变化，但是可以把研究对象划定在一定的范围内，所以开口系统又称为控制体积系统。

（2）闭口系统：与外界没有物质交换的系统。此时，系统内物质的质量保持不变，称为控制质量系统。

（3）孤立系统：系统与环境之间既无能量交换（其中，能量交换包括热、功和其他能量），又无物质交换。孤立系统完全不受环境的影响。

（4）绝热系统：系统与外界无热量交换。一个用完全隔热材料包围起来的系统，就是绝热系统。

系统热力状态的定义

（1）状态。某一时刻，系统中物质表现在热力现象方面的总状况。

（2）状态参数。描述系统状态的物理量称为状态参数。

（3）基本状态参数。当系统与外界发生相互作用时，系统的状态将发生变化，系统状态的变化一般表现为系统中工质的压力、温度、比容、内能（焓和熵）这些物理量的变化，并且这些物理量的变化与变化的过程无关。

焓

焓是一个热力学系统中的能量参数。是物体在某种状态（温度和压力）下所具有能量的总和。1kg 的物质（制冷工质）在某一状态（温度和压力）时，所含的热量称为该物质的焓。将这种以温度和压力所存储的能量称为焓（H）。对于焓还有更为准确的定义，在制冷工业中常使用焓的概念，焓随制冷剂的状态、温度和压力等参数的变化而变化。当对制冷剂加热或作功时，焓就增大，反之，制冷剂被冷却或蒸气膨胀向外作功时，焓就减小。

焓的单位是焦耳。比焓是单位质量的物质的焓，单位是焦耳/千克。

熵

物理学上指热能除以温度所得的商，标志热量转化为功的程度。熵在热力学中是表征物质状态的参量之一，通常用符号S表示。它是从外界加进 1kg 物质（系统内）的热量Q与加热时该物质的绝对温度T(K)之比，用S表示，其关系式为

压焓图

图 1-22 制冷剂的压焓图

压焓图可以用一点（临界点）、二线（饱和液体线、饱和蒸汽线，）、三区（液相区、两相区、气相区）、五态（过冷液状态、饱和液状态、饱和蒸汽状态、过热蒸汽状态、湿蒸汽状态）和八线（等压线、等焓线、饱和液线、饱和蒸汽线、等干度线、等熵线、等比体积线、等温线）来概括。

（1）临界点K（一点）。

临界点K为两根粗实线的交点。在该点，制冷剂的液态和气态差别消失。无论何种制冷剂，它都有临界点，在我们选用制冷剂时，都要求临界温度（临界压力）要高。物质液化除了降温还可以升压，像我们使用的制冷剂，沸点普遍很低，低温液化是不可能的，只能采用高压。而临界温度高的制冷剂在常温下越容易液化，并且制冷剂在远离临界点下节流可以减少损失。提高制冷循环的性能。

（2）饱和曲线（二线）

K点左边的粗实线Ka为饱和液体线（干度X=0），在Ka线上任意一点的状态，均是相应压力的不同温度下的饱和液体；K 点的右边粗实线 Kb 为饱和蒸气线（干饱和蒸气线（干度X=1）），在Kb线上任意一点的状态均为不同温度下的饱和蒸气状态，或称为干蒸气。

（3）三个状态区。

① Ka 左侧——过冷液体区，该区域内的制冷剂温度低于同压力下的饱和温度；在制冷循环计算中，将制冷剂饱和液体的温度降低就变为过冷液体。

② Kb 右侧——过热蒸气区，该区域内的蒸气温度高于同压力下的饱和温度；将制冷剂饱和气体的温度升高就进入了过热蒸汽区。

③ Ka和Kb之间——湿蒸气区（湿饱和蒸气区或气液两相区），即气液共存区。该区内制冷剂处于饱和状态，压力和温度为一一对应关系。

在制冷机中，蒸发与冷凝过程主要在湿蒸气区进行，压缩过程则是在过热蒸气区内进行。

（4）五个状态。

过冷液体状态、饱和液体状态、气液共存状态、饱和气体状态、过热蒸汽状态。

（5）六组等参数线。

制冷剂的压—焓（LgP-h）图中共有八种线条：等压线 P（LgP）、等焓线（Enthalpy）、饱和液体线（Saturated Liquid）、等熵线（Entropy）、等容线（Volume）、干饱和蒸汽线（Saturated Vapor）、等干度线（Quality）、等温线（Temperature）。六组等参数线具体如下：① 等压线p（p= 定值）。图上与横坐标轴相平行的水平细实线均是等压线，同一水平线的压力均相等。

② 等焓线 h（或 i= 定值）。图上与横坐标轴垂直的细实线为等焓线，凡处在同一条等焓线上的工质，不论其状态如何焓值均相同。

③ 等温线t（t= 定值）。图上用点划线表示的为等温线。等温线在不同的区域变化形状不同，在过冷区等温线几乎与横坐标轴垂直；在湿蒸气区与横坐标轴平行的水平线；在过热蒸气区为向右下方急剧弯曲的倾斜线。

④ 等熵线 s（s= 定值）。图上自左向右上方弯曲的细实线为等熵线。制冷剂的压缩过程沿等熵线进行，因而过热蒸气区的等熵线用得较多，单级蒸汽压缩式制冷理论循环在 LgP-h图上等熵线以饱和蒸气线作为起点。

⑤ 等容线 v（v= 定值）。图上自左向右稍向上弯曲的虚线为等比容线。与等熵线比较，等比容线要平坦些。制冷机中常用等比容线查取制冷压缩机吸气点的比容值。

⑥ 等干度线 x（x=0）。从临界点 K 出发，把湿蒸气区各相同的干度点连接而成的线为等干度线。它只存在与湿蒸气区。

上述六个状态参数（p、t、v、x、h、s）中，只要知道其中任意两个状态参数值，就可确定制冷剂的热力状态。在LgP-h图上确定其状态点，可查取该点的其余四个状态参数。

压焓图的应用如下。化为液态；在液态区进行节流；在两相区由液态转化为气态，如图 1-23 所示。

图 1-23 压焓图说明制冷循环四个过程