现代几种简单的制冷技术

目录

第一章制冷的热力学基础 (2)

第1节热力学第一定律 (2)

第2节热力学第二定律 (6)

第二章传统的制冷物质与制冷技术 (7)

第1节制冷剂的历史[4] (7)

第2节传统制冷技术的简单介绍 (7)

第三章半导体制冷 (10)

第1节半导体[4] (10)

第2节半导体制冷器 (11)

参考文献 (12)

致谢 (13)

第一章 制冷的热力学基础

第1节 热力学第一定律

1、热力学第一定律

自然界中的所有物质都有能量，能量不能被创造也不能被消灭，它只能进行能量之间的转换，从一种形态变成另一种形态，但是能量的总和不会改变，这就是能量守恒与转换定律，是自然界的基础规律之一，也是热力学第一定律的理论基础[2]。热力学第一定律就是能量守恒与转换在一个热力学系统中的应用。

热力学第一定律的解析式为：

W U Q +∆= （1.1.1） 式中Q 为系统中的热量，U ∆表示热力学能的变化量，W 为与环境交换的功。式中热力学能变化量U ∆、热量Q 、和功W 都是代数值，可正可负，系统吸热Q 值为正，放热Q 值为负；同理，系统对外做功W 为正，反之为负。系统的热力学能增大时，U ∆为正。可以理解为在一个热力学系统内，热力学变化量U ∆与对环境做的功的总和为系统中的总热量。这也说明了一个道理热力学第一定律是一个准静态过程，即在这个过程中的每一时刻，系统都处于平衡态。

说简单些，就是在一个系统中，热和功是可以相互转换的，消耗一定量的热即可产生一定量的功，同时，消耗一定量的功会产生一定量的热，但其二者之和是保持不变的一个固定值。

热力学的第一定律解析式的微分形式为

W dU Q δδ+= (1.1.2)

2、热力学第一定律对理想气体的应用[1]

下面我们来看看热力学第一定律在理想气体下的一些简单的能量转换。

（1）等体过程

等体过程即使在系统体积保持不变，外界做功为零，故此根据热力学第一定律的解析式可得出

12U U Q -= (1.1.3)

如果设初始状态和终态的温度分别为1T 、2T 则公式变为

)(12,12T T vC U U Q m V -=-= (1.1.4)

其中m V C ,为摩尔定容热容，为常数。

（2）等压过程

等压过程即为系统的压强始终保持不变，如果我们设系统初始状态和终态的体积分别为1V 、2V 则外界对系统做的功为

)(122

1V V p pdV A V V --=-=⎰ (1.1.5) 如果设初始状态和终态的温度分别为1T 、2T 则公式变为

)(12,12T T vC U U Q m p -=-= (1.1.6)

其中m p C ,为摩尔定容热容，为常数。

（3）等温过程 等温过程系统温度保持不变故此，由理想气体状态方程可以得到

常量=pV (1.1.7)

由于理想气体，内能只跟温度有关，温度不变，故内能不变，由此可得

A Q -= (1.1.8)

也就是说外界对系统做的功将全部转化为气体对外界放出的热，在等温过程中外界对气体做的功为

1

2ln 2121V V vRT V dV vRT pdV A V V V V -=-=-=⎰⎰ (1.1.9)

（4）绝热过程 此过程系统不与外界做能量交换，故此绝热过程0=Q ，所以

A U U =-12 (1.1.10)

在这个过程中

常量=γpV (1.1.11)

式中的m v p C C ,m

，=γ，而m p m v C R C ,,=+。

除上诉的几个过程外，还有多方过程，在此就不做详细叙述了。

3、循环过程

（1）循环过程

在一个系统中，有任意一个状态出发，经过一系列的过程后还能回到这个出发点的过程叫做循环状态，由字母可以表示为A-B-C-D-A

在一个准静态过程的p-V 图像中如果是顺时针循环则称之为正循环，而反之则称之为逆循环。

（2）循环过程的效率 设一个系统从外界吸收的总热量为1Q 而放出的热量为2Q 则系统对外界做的功为

21Q Q A -= (1.1.12)

则其效率为

1212111Q Q Q Q Q Q A -=-==

η (1.1.13)

4、卡诺循环 1842年法国科学家尼古拉·卡诺提出了一个特殊的热力学循环，这个循环是由等温吸热，绝热膨胀，等温放热，绝热压缩四个过程组成，由等温吸热出发，经过绝热膨胀、等温放热、绝热压缩回到到等温吸热，这由两个等温过程，两个绝热过程组成的特俗的热力学循环被称为卡诺循环。这个卡诺循环被使用在一个假象的卡诺热机上。[3]

1830年至1840年，为了找出这个热机的最大工作效率，埃米尔·克拉佩龙对卡诺循环进行了一次扩充。

等温吸热的过程就是系统从高温热源吸热的过程，这个过程中系统膨胀，所以此过程亦成为等温膨胀；绝热膨胀的过程中系统对环境做功，故此温度将会降低；等温压缩的过程中系统向环境中放出热量，体积将会被压缩；绝热压缩，系统恢复到初始状态。如下图

由状态1到状态2是等温膨胀过程，有上文等温过程公式可知从高温热源吸收的热为

1

211ln V V vRT Q = (1.1.14) 状态2到状态3为绝热膨胀，温度降低到2T ，与外界没有热量交换，但对外界做功。 状态3到状态4为等温压缩，外界对气体做功，气体向低温热源放热为

33

22ln V V vRT Q = (1.1.15)

状态4到状态1为绝热压缩，气体回归原状态完成一个循环，过程中系统与外界没有能量转移，但外界对系统做功。

整个过程中内能不变，其效率为

1

21432121121432121121ln ln ln ln ln ln V V T V V T V V T V V vRT V V vRT V V vRT Q Q Q -=-=-=η (1.1.16) 状态1、4和状态2、3分别在两条绝热线上，所以根据上文绝热过程公式知

2112

3T T V V =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-γ (1.1.17) 2

111

4T T V V =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-γ (1.1.18) 所以可得出效率为 1

21211T T T T T -=-=η (1.1.19)