焦耳-湯姆遜(J-T)效應

1、4.7 焦耳焦耳-湯姆遜效應與制冷機湯姆遜效應與制冷機 4.7.1 4.7.1 制冷循環(huán)與制冷系數(shù)制冷循環(huán)與制冷系數(shù) ( (一一) )制冷循環(huán)制冷循環(huán) 前面討論過前面討論過 p p V V 圖上順時針循環(huán)圖上順時針循環(huán)( (熱機熱機) )的熱力學的熱力學過程?，F(xiàn)在討論逆時針循環(huán)過程?，F(xiàn)在討論逆時針循環(huán)( (致冷機致冷機) )的熱力學過程。的熱力學過程。如圖所示。如圖所示。 系統(tǒng)經過一個循環(huán)后，系統(tǒng)經過一個循環(huán)后， 從較低溫熱源取走了從較低溫熱源取走了 一部一部分熱量傳到較高溫熱源去。分熱量傳到較高溫熱源去。這正是制冷機的原理這正是制冷機的原理。pV2122QQQWQ冷 為了能對制冷機的性能作出

2、比較，為了能對制冷機的性能作出比較， 需對制冷機效率作出定義需對制冷機效率作出定義: : 在制冷機中人們關心的是從低溫熱源吸走的總熱在制冷機中人們關心的是從低溫熱源吸走的總熱量量 Q Q2 2， 其代價是外界必須對制冷機作功其代價是外界必須對制冷機作功 W W，故定義，故定義( (二二) )制冷系數(shù)制冷系數(shù)另外另外, ,因為因為 冷冷 的數(shù)值可以大于的數(shù)值可以大于1 1，故不稱為制冷，故不稱為制冷機效率而稱為制冷系數(shù)。機效率而稱為制冷系數(shù)。為什么為什么 W W = = Q Q1 1- -Q Q2 2? ?( (三三) )可逆卡諾制冷機的制冷系數(shù)可逆卡諾制冷機的制冷系數(shù) 圖示圖示2-1-4-3-

3、12-1-4-3-1的逆時針的逆時針循環(huán)是可逆卡諾制冷機循環(huán)是可逆卡諾制冷機循環(huán)。循環(huán)。 它在溫度它在溫度 T T1 1 等溫壓縮等溫壓縮放熱放熱 Q Q1 1 , , 在溫度在溫度 T T2 2 ( ( T T2 2 T T1 1 ) ) 等溫膨脹吸熱等溫膨脹吸熱 Q Q2,2, , 還各有一個絕熱壓縮、還各有一個絕熱壓縮、絕熱膨脹過程。絕熱膨脹過程。1T2T2Q1Q 可以看到，制冷溫度越低，制冷系數(shù)也越小。若為絕可以看到，制冷溫度越低，制冷系數(shù)也越小。若為絕對零度，則制冷系數(shù)為零對零度，則制冷系數(shù)為零。其制冷系數(shù)為其制冷系數(shù)為2122QQQWQ冷212TTT卡冷4.7.2 焦耳焦耳-湯姆遜

4、效應湯姆遜效應 使物體溫度降低的常用方法有下列五種使物體溫度降低的常用方法有下列五種： 通過溫度更低的物體來冷卻；通過溫度更低的物體來冷卻； 通過吸收潛熱通過吸收潛熱( (如汽化熱、吸附熱、溶解熱、稀釋如汽化熱、吸附熱、溶解熱、稀釋熱等熱等) )來降溫；來降溫； 通過絕熱膨脹降溫；通過絕熱膨脹降溫； 溫差電致冷；溫差電致冷； 節(jié)流膨脹致冷。節(jié)流膨脹致冷。 大多數(shù)制冷機都是通過（工作媒質）氣體液化來獲大多數(shù)制冷機都是通過（工作媒質）氣體液化來獲得低溫熱源，通過液化工質的蒸發(fā)吸熱來提供制冷量得低溫熱源，通過液化工質的蒸發(fā)吸熱來提供制冷量的的 。 氣態(tài)工質降溫后能以液態(tài)出現(xiàn)的有效手段是節(jié)流效應。氣態(tài)

5、工質降溫后能以液態(tài)出現(xiàn)的有效手段是節(jié)流效應。 本節(jié)中專門介紹焦耳本節(jié)中專門介紹焦耳 - - 湯姆遜效應湯姆遜效應, ,也稱節(jié)流效應。也稱節(jié)流效應。 下圖為焦耳下圖為焦耳 - - 湯姆遜實驗示意圖。湯姆遜實驗示意圖。 實驗發(fā)現(xiàn)，這時在多孔塞兩邊的氣體的溫度一般并實驗發(fā)現(xiàn)，這時在多孔塞兩邊的氣體的溫度一般并不相等，不相等，溫度差的大小和氣體種類及多孔塞兩邊的壓強的數(shù)溫度差的大小和氣體種類及多孔塞兩邊的壓強的數(shù)值有關。值有關。高壓高壓低壓低壓多孔塞多孔塞 目前在工業(yè)上是使氣體通過節(jié)流閥或毛細管來實現(xiàn)節(jié)目前在工業(yè)上是使氣體通過節(jié)流閥或毛細管來實現(xiàn)節(jié)流膨脹的。流膨脹的。 絕熱條件下，高壓氣體經過多孔塞、

6、小孔、通徑絕熱條件下，高壓氣體經過多孔塞、小孔、通徑很小的閥門、毛細管等流到低壓一邊的穩(wěn)定流動很小的閥門、毛細管等流到低壓一邊的穩(wěn)定流動過程稱為節(jié)流過程過程稱為節(jié)流過程。高壓高壓低壓低壓多孔塞多孔塞 下面討論多孔塞實驗下面討論多孔塞實驗, ,如圖所示。如圖所示。 兩端開口的絕熱氣缸中心有多孔塞，多孔塞兩側維持兩端開口的絕熱氣缸中心有多孔塞，多孔塞兩側維持不同壓強不同壓強 p p1 1 p p2 2 。 圖（圖（a a）是節(jié)流前多孔塞左邊的）是節(jié)流前多孔塞左邊的活塞尚未運動時氣體活塞尚未運動時氣體的的熱力學狀態(tài)熱力學狀態(tài)（初態(tài)）。（初態(tài)）。 圖（圖（b b）是）是活塞將氣體全部壓到活塞將氣體全部

7、壓到多孔塞右邊時氣體的狀多孔塞右邊時氣體的狀態(tài)（末態(tài)）。態(tài)（末態(tài)）。顯然顯然, ,氣體在中間經歷的都是氣體在中間經歷的都是非平衡態(tài)。非平衡態(tài)。 （為什么（為什么? ?）. .111111VplApW222222VplApW以活塞左邊氣體為研究對象，以活塞左邊氣體為研究對象，當氣體全部穿過多孔塞以后，它當氣體全部穿過多孔塞以后，它的狀態(tài)參量從的狀態(tài)參量從 V V1 1 變?yōu)樽優(yōu)?V V2 2 ，p p1 1 變?yōu)樽優(yōu)?p p2 2 ,T,T1 1 變?yōu)樽優(yōu)?T T2 2 。設氣體都在左邊時的內能為設氣體都在左邊時的內能為 U U1 1 ，氣體都在右邊時的內能為氣體都在右邊時的內能為 U U2 2

8、 。氣體穿過多孔塞過程中，左邊活塞對氣體作功氣體穿過多孔塞過程中，左邊活塞對氣體作功 氣體推動右邊活塞作功氣體推動右邊活塞作功 理想氣體在節(jié)流過程前后的溫度都不變。為什么理想氣體在節(jié)流過程前后的溫度都不變。為什么? ? 但是一般氣體在常溫下節(jié)流會致冷。但是一般氣體在常溫下節(jié)流會致冷。 低溫工程利用節(jié)流致冷效應來降低溫度。低溫工程利用節(jié)流致冷效應來降低溫度。 但對于氫氣、氦氣，在常溫下節(jié)流后溫度反而升高，但對于氫氣、氦氣，在常溫下節(jié)流后溫度反而升高，稱為負節(jié)流效應。它們只有在足夠低溫度下才呈現(xiàn)正稱為負節(jié)流效應。它們只有在足夠低溫度下才呈現(xiàn)正節(jié)流效應節(jié)流效應。221121VpVpWWW221112

9、VpVpUU111111VplApW222222VplApWWQU 外界對定量氣體所作的凈功為外界對定量氣體所作的凈功為注意到絕熱過程注意到絕熱過程 Q Q = 0= 0，則由第一定律，則由第一定律21HH 絕熱節(jié)流過程前后的焓不變。絕熱節(jié)流過程前后的焓不變。 用以研究用以研究節(jié)流過程的等焓線節(jié)流過程的等焓線4.7.3 氣體壓縮式制冷機氣體壓縮式制冷機 氣體制冷工質先后經壓縮、冷卻、節(jié)流膨脹等手段，氣體制冷工質先后經壓縮、冷卻、節(jié)流膨脹等手段，最后制得低溫液體的制冷機稱為氣體壓縮式制冷機。最后制得低溫液體的制冷機稱為氣體壓縮式制冷機。 它分為如下兩種：它分為如下兩種： (1)(1) 蒸汽壓縮式制冷機蒸汽壓縮式制冷機; ; (2)(2)深度冷凍制冷機。深度冷凍制冷機。( (一一) ) 蒸汽壓縮式制冷機蒸汽壓縮式制冷機 氣體被壓縮、冷卻到室溫后就能完全變?yōu)橐后w氣體被壓縮、冷卻到室溫后就能完全變?yōu)橐后w, ,然然后通過節(jié)流膨脹降低溫度的