第一章-热力学、传热学和流体力学基础知识

制冷空调系统安装维修技术人员培训课程讲师：朱宗升第一章制冷与空调技术基础知识1.1热力学基础知识1.1.1物质的三种状态自然界中的物质一般是由分子组成的。组成物质的分子间有一定的距离。分子间始终存在着相互作用力，这种作用力有时表现为斥力，有时表现为引力。而且分子作永不停息的无规则运动，分子的这种无规则运动称为热运动。由于物质分子间的距离不同，因而分子间相互作用力的大小不同，热运动的方式也不同，使物质呈现出三种不同的状态。（1）固态（2）液态（3）气态1.1.2物质相变与热量转移自然界中，物质的三种状态之间在一定的条件下可以相互转化，这个转化过程叫相变。物态变化与热量转移分子间作用力影响物质的熔点沸点和相变潜热。液体发生沸腾时的温度。当液体沸腾时，在其内部所形成的气泡中的饱和蒸汽压必须与外界施予的压强相等，气泡才有可能长大并上升，所以，沸点也就是液体的饱和蒸汽压等于外界压强的温度。液体的沸点跟外部压强有关。当液体所受的压强增大时，它的沸点升高；压强减小时；沸点降低。1.1.3温度和温标（1）温度温度是表示物体冷热程度的物理量，衡量温度的标尺即温标,可分为摄氏温标、华氏温标和热力学温标，对应的温度分别为摄氏温度、华氏温度和热力学温度。温度是物体内部分子热运动的平均动能的标志。（2）温标摄氏温标以标准大气压下水的冰点为0度，水的沸点为100度，在0度与100度之间平均分成100等份，每等份为1摄氏度，记做1℃。用摄氏温标表示的温度称为摄氏温度，用符号t表示。热力学温标热力学温标常称为开氏温标或绝对温标，这种温标是以物质内部分子热运动速度为零时所对应的温度为起点，称为热力学零度。用热力学温标表示的温度叫热力学温度或绝对温度，用符号T表示，单位为K，读做“开[尔文]”。华氏温标华氏温度符号为tf,单位为℉；华氏温标规定，在1标准大气压下，把纯水的冰点和沸点分别定位为32℉和212℉，其间等分成180份，每一份为1℉。三种温标之间的关系T＝t＋273.15≈t＋273(K)t＝T-273.15≈T-273(℃)tf＝9/5×t＋32(℉)t＝5/9×(tf-32)(℃)•华氏温标--华伦海特，荷兰物理学家，常用t表示，单位℉•摄氏温标--摄耳修司，瑞典物理学家，常用t表示，单位℃•热力学温标—开尔文，英国科学家，常用T表示，单位K1.1.4干、湿球温度（1）干球温度将一般的温度计，例如水银温度计，置于室外，测得的环境温度就是干球温度。（2）湿球温度将水银温度计的感温球包扎上湿润的纱布，并将纱布下端浸于充水容器中，就构成湿球温度计。将湿球温度计置于通风处，其读数就成为湿球温度。干、湿球温度1.1.6过热度与过冷度先以水蒸气的形成过程为例解释几个概念。图1–3过冷与过热过程a）过冷水b）饱和水c）湿蒸汽d）干蒸汽e）过热蒸汽（1）过热在制冷技术中，过热是针对制冷剂蒸气而言的。当蒸气的压力一定，而温度高于该压力下相对应的饱和温度时就称为过热蒸气；同样当温度一定，而压力低于该温度下相对应的饱和压力时，也称为过热蒸气。过热度=过热气体温度-饱和温度（5=105-100）（2）过冷在制冷技术中，过冷是针对制冷剂液体而言的。在压力一定时，温度低于该压力下相对应的饱和温度就称为过冷。过冷度=饱和温度-过冷液体温度（75=100-25）1.1.7压力、绝对压力、表压、真空压力(1)压力压力定义为施加在单位面积上的力，用公式的形式来表达就是P=力/面积=F/A压力的单位为N/m2(牛顿/平方米)。1)国际单位1Pa＝1N/m2制冷技术中，通常用千帕（kPa）或兆帕（MPa）作为单位。1MPa＝103kPa＝106Pa2)工程单位1kgf/cm2＝9.8×104Pa≈0.1Mpa单元基本知识3)采用液柱高度为压力单位。1mmHg＝1.33Pa(2)标准大气压标准大气压又称物理大气压，是指温度为0℃、纬度为45°的海平面上，大气常年的平均压强。其值为760mmHg，标准大气压用符号B（atm，101.325kPa）来表示；工程上为了计算方便，把大气压力近似定为1千克力/平方厘米（1kgf/cm2）来计算，称为一个工程大气压（Patm）。1标准大气压（1B）=760mmHg1B＝1.033kg/cm2≈1kg/cm2≈0.1MPa工程上气体的压力分为绝对压力、表压力和真空度。单元基本知识(3)绝对压力定义绝对真空的空间里压力为零，以零为起点的压力，指容器内的气体或液体对于容器内壁的实际压力，用符号P绝表示。(4)表压力以环境压力（当地大气压）为起点的压力，即压力表上读取的压力值，表示被测工质的压力与当地大气压力的差值，用符号P表表示。绝对压力、表压和大气压之间的关系如下：P表＝P绝-B(5)真空度当流体产生的压力和密闭容器内气体绝对压力低于大气压力时，这个压力与大气压之间的差值就称为真空压力或真空度，用符号P真表示，反映在压力表上为负压力。绝对压力、大气压和真空度之间的关系如下：P真＝B-P绝绝对压力、表压力和真空度的关系单元基本知识工程计算中，选取的压力必须是绝对压力。火电厂中所测得的锅炉汽包、主蒸汽的压力值都是表压力，负压燃烧锅炉炉膛内的烟气和凝汽器内乏汽的压力值为真空，制冷系统中计算耗功、COP等的压力，计算时都须换算为绝对压力。测量真空度的仪器很多，在制冷设备修理中常用U形管真空计和真空压力表。用U形管真空计测量系统真空度的方法如图1–5所示：U形管的右端与被测容器相连时，两液面之差h即为真空度。低真空度的测量1.1.8饱和温度与饱和压力处在密闭容器内的液体，因吸收外界热量而部分变成气体，与此同时，也有一部分气体因失去部分能量而回到液体表面。当从液体离开的分子数与返回液体的分子数相等时，蒸气的密度不再改变，即达到饱和状态，温度和压力也稳定不变。饱和状态下的蒸气称为饱和蒸气。此时的温度称为饱和温度，用ts表示。相应的蒸气压力称为饱和蒸气压力，用ps表示1.1.9热量、比热容、显热和潜热1.热量热量是表示物体吸热或放热多少的物理量。热量的法定计量单位为焦[耳]（J）或千焦[耳]（kJ）。以往工程上通用的热量单位为千卡（kcal）又称大卡。1kcal是指1kg纯水在标准大气压下，温度从19.5℃加热到20.5℃所吸收的热量。千卡与千焦[耳]之间的换算为：1kcal＝4.187kJ或1kJ＝0.2389kcal2.比热容单位质量的某种物质，温度升高或降低1K所吸收或放出的热量，称为这种物质的比热容或质量热容（比热容通常简称为比热），用符号c表示，单位常用千焦[耳]／（千克·开[尔文]）[kJ／(kg·K)]。有了物质的比热容，就可以计算物质在温度改变时吸收或放出的热量。其计算公式如下：)(0TTcmQ2.显热和潜热物质在加热或冷却过程中，仅仅使物质的温度升高或降低，而并没有改变物质的状态时，它所吸收或放出的热量称为显热。它可以用温度计来测量。它是人们可感觉得到的热，所以又称为可感热。物质在加热或冷却过程中，只改变状态而温度不发生变化，所吸收或放出的热量称为该物质的潜热。潜热无法用温度计测量出来，也无法感觉到，但它可以计算出来。1.1.10制冷量与制热量制冷量、制热量用于表示制冷或制热的能力，用W或kW表示。单位重量制冷量、制热量（kcal／kg）表示制冷设备运行时，每千克（kg）重量制冷剂能从密闭的空间或环境中吸收或释放多少大卡（kcal）热量。1.1.11功、功率和能（量）(1)功功是当移动一个物体时，施加在它上面的力所产生的效果。可以用下面的公式来表示功=力×距离1J=1N·m(2)功率功率是做功和所用时间的比,或者说单位时间内所做的功。可以用下式表示功率=功/时间1kW=1000J/s单元基本知识(3)能(量)能被定义为做功的能力，它是一个抽象的概念。（2）工质在热力工程中，把可以实现能量转换和物态改变的物质称为工质。在制冷技术中工质又称为制冷剂或制冷工质，例如家用冰箱、空调器过去常用的制冷剂氟利昂12、氟利昂22等。（3）介质在制冷技术中，凡可用来转移热量和冷量的物质，称为介质。一般常用的介质是水和空气。1.1.12热力系统、工质与介质（1）热力系统在热力学研究中，研究者所指定的具体研究对象，称为热力系统，简称系统。和系统发生相互作用（能量交换或质量交换）的周围环境称为外界或环境。系统状态及状态参数。1.1.13内能、焓与熵（1）内能内能又称热力学能，是物质内部各种微观能量的总和。在热力学中，内能是分子热运动动能（内动能）和分子间的位能（内位能）的总和。内动能与温度有关，内位能与体积或压力有关。所以，内能是一个状态参数，常用符号U表示，单位为焦[耳]（J）。u表示单位质量的内能，称为比内能，单位为焦[耳]每千克（J／kg）。（2）焓焓是一个复合的状态参数，表征系统中的总能量。对流动工质而言，焓是内能U与压力位能pV之和，用H表示，即：pVUH（J或kJ）TQSSQ[kJ/(kg·K)]则即物质吸收或放出的热量等于物质的热力学温度和熵的变化的乘积。在孤立系统中，体系与环境没有能量交换，体系总是自发地向混乱度增大的方向变化，总使整个系统的熵值增大，此即熵增原理（3）熵熵和焓一样，也是描述物质状态的参数，表征工质状态变化时，其热量传递的程度和方向，其物理意义是体系混乱程度的度量。熵是在状态变化过程中吸收或放出的热量Q和此时物质的热力学温度T的比值，用S表示，其关系式为：T1.2.1热力学第零定律1.2热力学基本定律如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。温度测量的理论基础B温度计1.2.2热力学第一定律1、重物下降，输入功，绝热容器内气体温度2、绝热去掉，气体温度，放出热给水，恢复原温。•能量既不能被创造，也不能被消灭，它只能从一种形式转换成另外一种方式，或从一个物体传递到另一个物体，而其总量保持平衡。•封闭系统：△U=Q+W△U系统热力学能（内能）的增量；Q系统与环境交换的热，得热为＋，失热为－W系统与环境交换的功，得功为＋，失功为－•热和功都是能量传递的形式，不是能量存在的形式，因此热和功不是状态函数，而是过程函数。26功和p-v图功可以用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示2211WpAdxpdVWpdV1kWh3600kJ讨论•功的数值不仅决定于初始状态，而且与过程间的途径有关——功不是状态函数，是过程函数；•功是系统通过边界传递的能量，这个功一旦越过边界，就消失。因此，不能说在某种状态下系统和外界有多少功，只有当系统状态发生变化时才有功的传递。28热量与功的异同•通过边界传递的能量；•过程量；•功传递由压力差推动，比体积变化是作功标志；热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志；•功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量；热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用传递的能量。热力学第一定律的不足30热力学第一定律的不足•热力学第一定律强调的是能量上的守恒，没有考虑不同类型能量在做功能力上的差别。•同样数量的机械能与热能其价值并不相等，机械能具有直接可用性，可以无条件转换为热能（优质能）；而热能必须在一定的补充条件下才能部分转化为机械能。•热力学第一定律不能判断热力过程的方向性。311.2.3热力学第二定律•不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响；•不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，即第二类永动机是不可能成功的。•根据热力学第二定律，完成制冷过程必须消耗能量，能量的形式可以是机械能、电能、热能、太阳能以及其他形式的能量。热力学第二定律的实质能量转换方向性的实质是能质有差异无限可转换能—机械能，电能部分可转换能—热能0TT不可转换能—环境介质的热力学能实质：论述热力过程的方向性即能质退化或贬值的客观规律。能质降低的过程可自发进行，反之需一定条件—补偿过程，其总效果是总体能质降低。蒸汽动力装置（热机）锅炉—产生蒸汽（将燃料的化学转换为热能并传递给工质）汽轮机—将蒸汽的热能转换为机械能冷凝器—将乏汽冷凝成水水泵—使得工作介质循环（