制冷系数的测定-物理试验.PPTVIP

制冷系数的测定 * 长期以来，热学实验始终是物理实验中的一个薄弱环节，学生对许多热学知识，往往仅限于书本中所学到的深度。本实验通过应用热学知识广泛而又实际的电冰箱，将一些热学基本知识，如热力学定律；等温、等压、绝热、循环等过程；以及焦耳-汤姆逊实验等，做了综合性应用，使学生在加深对热学基本知识理解的同时，得到一次理论与实际，学与用相结合的锻炼。 一 实验目的 1．培养学生理论联系实际，学与用相结合的实际工作能力。 2．学习电冰箱的制冷原理，加深对热学基本知识的理解。 3．测定电冰箱的制冷系数。 二 实验原理 1.? 制冷的理论基础 制冷机： 将热量从低温源不断输送到高温源，从而获得低温的机器。我们常使用的电冰箱就是一个制冷机。 热力学第二定律指出： 不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起外界的变化。通俗的讲，就是低温源不会自动将热量传递到高温源。如果要使热量从低温源传到高温源，必须要有外界对系统做功。 如图一，Q2为低温源放出的热量，Ｗ为外界对系统作的功，Q1为高温源吸收的热量，三者关系为： Q1=Q2+W 图1 2．制冷系数 我们定义制冷系数为 ε=Q2/W 可见，当ε较大时，那么外界做比较小的功W，就可以使低温源吸出较多的热量Q2。从实用的角度说，ε越大越经济，比如说冰箱用较少的电，就可以获得很低的温度。 理想气体的卡诺逆循环，制冷系数可表达为： 其中，T1和T2分别为高温源和低温源的温度。 3．制冷方式 制冷可利用熔解热、升华热、蒸发热、帕尔帖效应等方式。我们用的是蒸发制冷。 蒸发是液体分子经液面转移到气态的过程。 当液体分子离开液面时，需克服液体分子的引力而做功，于是离开液面的分子总是那些热运动动能较大的分子。 这样，蒸发的结果将使液体中分子的平均热运动的动能减小，从而使液体温度降低，这就是蒸发降温的原理。 电冰箱是用氟里昂做制冷剂，当液体氟里昂在蒸发器里大量蒸发时，带走所需的热量，从而达到制冷的目的。 因此，电冰箱是一种利用蒸发热方式制冷的机器。 利用蒸发制冷，工作物质必须经过气体 液体 气体的相变，不能用理想气体。 4．真实气体的等温线 图2 如图二，图中右上角的那条等温线为双曲线，它和理想气体的等温线是一样的。 随着温度降低（图中越往左下角，等温线表示的温度越低），等温线不再是双曲线，而是逐渐显现出一个横向平台的形状。 我们以曲线ABCD为例进行简单分析： 曲线的A→B段表示气相； 从B→C，是一个由气相向液相转变的过程，线段BC上的点表示气液共存的状态，越靠近C点，液体成分越多，气体成分越少。到了C点，气体全部变成了液体，BC段既等温又等压。 从C→D一直往后都表示液相状态，由于液体不易被压缩，所以从图中可见，p虽不断加大，但v不变。 注意： ①BC上的每一点的状态所含的气、液比例虽不同，但气、液混合物的压强是相同的，这个压强称为饱和蒸汽压。 ②温度越高（图中越往右上角的等温线表示的温度越高），代表气液共存的BC段越短，当温度升高到一定程度。BC段缩成了一个点E，此点称为临界点，相应的等温线为临界等温线。 温度再升高，将不会有液相存在。也就是说，当温度很高时，无论压力怎样大，都不能把气体压缩为液体。 ③我们将各等温线的开始液化点B和液化终了点C用虚线连起来。 这条虚线下包围的点都表示气液共存，虚线以外，左边是液相，右边是气相。 5．电冰箱的制冷循环 图3 ：电冰箱的工作结构示意图 电冰箱的制冷循环可分为四个过程： L→M等压冷凝 M→N绝热减压 N→K等压蒸发。 K→L绝热压缩 图4：工作为物质氟里昂（以下简称R12）的工作循环p-V图。 ① ② ③ ④ ①K→L，压缩机将R12压缩成高压高温气体。 ②L→M，R12在冷凝器（也就是散热器）中降温，将热量传递给了外界的空气，这个过程是等压过程，R12温度下降，液化。 ③M→N，R12在毛细管中经过一个节流过程（关于节流的概念见附录）后，压强和温度都降低，这时R12温度已变得非常低，气液共存。注意，R12在进入毛细管前先经过干燥器吸收掉可能混入的微量水分，以免降温后水结冰堵塞毛细管。 ④N→K，在蒸发器中R12经过蒸发器管道，蒸发吸热。蒸发器是与待降温物相接触的，而R12在M→N的过程后，温度已变得比待降温物还低，所以R12就吸收待降温物的热量。 三、实验装置 模拟电冰箱实验（MB-III型）装置如下图所示： 1.冷冻室 其组成是在杜瓦瓶中盛三分之二深度的含水酒精作冷冻物；用蛇形管蒸发制冷剂从而吸热； 用加热器平衡制冷剂蒸发时的吸热量，并用马达带动搅拌器使冷冻室内