典型工作任務(wù)2　熱力學(xué)定律制冷技術(shù)應(yīng)用

1.2.1　任務(wù)目標(biāo)

1.掌握熱力學(xué)定律及其含義。

2.了解熱力學(xué)定律的應(yīng)用。

1.2.2　相關(guān)配套知識(shí)

1.熱力學(xué)過程

在環(huán)境的作用下，系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)變化到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過程稱為熱力學(xué)過程。在實(shí)際過程中，系統(tǒng)所經(jīng)歷的一系列狀態(tài)一般都是不平衡狀態(tài)，如果所經(jīng)歷的狀態(tài)都無限接11近于平衡狀態(tài)，并且沒有摩擦，則為可逆過程。可逆過程是實(shí)際過程所能趨近的極限。

通常熱力學(xué)過程有以下幾類：

①等溫過程：系統(tǒng)的始態(tài)和終態(tài)的溫度與環(huán)境溫度相同，且環(huán)境溫度不變的過程。在變化過程中系統(tǒng)溫度不一定恒定。

②等壓過程：系統(tǒng)的始態(tài)和終態(tài)的壓力與環(huán)境壓力相等，且環(huán)境壓力為一恒定值的過程。在變化過程中系統(tǒng)的壓力不一定恒定。

③等容過程：系統(tǒng)的始態(tài)和終態(tài)體積相等的過程，即ΔV=0。

④絕熱過程：系統(tǒng)與環(huán)境之間用絕熱壁隔開，此時(shí)系統(tǒng)中所進(jìn)行的過程稱為絕熱過程。

⑤循環(huán)過程：系統(tǒng)經(jīng)一系列變化后又回到原來狀態(tài)的過程。

2.熱力學(xué)定律

熱力學(xué)定律是描述物理學(xué)中熱學(xué)規(guī)律的定律，包括熱力學(xué)第零定律、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律和熱力學(xué)第三定律。其中熱力學(xué)第零定律又叫熱平衡定律，這是因?yàn)闊崃W(xué)第一、第二定律發(fā)現(xiàn)后才認(rèn)識(shí)到這一規(guī)律的重要性；熱力學(xué)第一定律即能量守恒定律；熱力學(xué)第二定律有多種表述，也叫熵增加原理。熱力學(xué)定律是熱力學(xué)的基礎(chǔ)。

根據(jù)熱力學(xué)第零定律，確定了狀態(tài)函數(shù)——溫度；

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，確定了狀態(tài)函數(shù)——內(nèi)能和焓；

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，確定了狀態(tài)函數(shù)——熵。可以用熵對第二定律作定量的表述。

（1）熱力學(xué)第一定律

熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律，也叫能量不滅原理。自然界的一切物質(zhì)都具有能量，能量有不同形式，能量不可能被創(chuàng)造也不可能被消滅，而只能在一定條件下從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，而在轉(zhuǎn)變過程中總能量是守恒的。

因此，熱力學(xué)第一定律可表述為：在熱能與其他形式能的相互轉(zhuǎn)換過程中，能的總量始終保持不變。

（2）熱力學(xué)第二定律

自然界中任何過程的發(fā)生都遵循熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律；熱力學(xué)第一定律是從能量轉(zhuǎn)化的量的角度來衡量、限制并規(guī)范過程的發(fā)生；熱力學(xué)第二定律是從過程的方向性上規(guī)定著過程的進(jìn)行。

熱力學(xué)第二定律有以下幾種表述方式：

①熱不可能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳到高溫物體（不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化，這是按照熱傳導(dǎo)的方向來表述的）。

②不可能從單一熱源取熱，把它全部變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其他任何影響（這是從能量消耗的方向來表述的）。

③孤立系統(tǒng)的熵永不減少，即熵增加原理。

（3）熱力學(xué)第三定律

熱力學(xué)第三定律是對熵的論述，通常表述為：

在絕對零度時(shí)，所有純物質(zhì)的完美晶體的熵值為零；或者絕對零度不可達(dá)到。

所謂“完美晶體”是指沒有任何缺陷的規(guī)則晶體。

（4）熱力學(xué)第零定律

熱力學(xué)第零定律又叫熱平衡定律，它是在第一、第二定律發(fā)現(xiàn)之后才被人類發(fā)現(xiàn)的，由于其重要性，我們將之命名為第零定律。表述如下：

如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)都與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡（溫度相同），則它們彼此也必定處于熱平衡。

熱力學(xué)第零定律的重要性在于它給出了溫度的定義和溫度的測量方法。定律中所說的熱力學(xué)系統(tǒng)是指由大量分子、原子組成的物體或物體系。它為建立溫度概念提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。這個(gè)定律反映出：處在同一熱平衡狀態(tài)的所有的熱力學(xué)系統(tǒng)都具有一個(gè)共同的宏觀特征，這一特征是由這些互為熱平衡系統(tǒng)的狀態(tài)所決定的一個(gè)數(shù)值相等的狀態(tài)函數(shù)，這個(gè)狀態(tài)函數(shù)被定義為溫度。而溫度相等是熱平衡之必要的條件。

3.熱力學(xué)定律在制冷技術(shù)中的應(yīng)用

人工制冷也叫“機(jī)械制冷”，是借助于一種專門的設(shè)備（制冷機(jī)），消耗一定的外界能量，迫使熱量從溫度較低的被冷卻物體，傳遞給溫度較高的環(huán)境介質(zhì)，得到人們所需要的各種低溫。人工制冷的方法很多，大致可分為物理方法和化學(xué)方法兩類，而絕大多數(shù)的人工制冷方法屬于物理方法。在普通制冷技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，應(yīng)用最廣泛的物理方法有相變制冷、蒸汽壓縮式制冷、吸收式制冷等。

在這些制冷方法中，不僅有能量的轉(zhuǎn)移，也包括熱功轉(zhuǎn)換的過程。熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律指出：自然界中的一切物質(zhì)都具有能量，能量能夠從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，而在轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)移的過程中能量的總量不變。熱力學(xué)第一定律指出了能量轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)移在數(shù)量上的關(guān)系。熱力學(xué)第二定律提示了能量轉(zhuǎn)換的條件。熱力學(xué)第二定律指出：機(jī)械功可以全部變?yōu)闊幔珶岵荒軣o條件的全部轉(zhuǎn)換為機(jī)械功，即不可能從單熱源取熱，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌淖兓Ｓ纱丝芍靡粋€(gè)熱源無法完成循環(huán)過程。第二定律同時(shí)指出：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。因此，要使熱量從低溫物體傳到高溫物體，必須要有一個(gè)補(bǔ)償過程。人工制冷的過程就是在外界的補(bǔ)償下，將低溫物體的熱量向高溫物體傳送的過程。

除此之外，我們還利用熱力學(xué)第零定律實(shí)現(xiàn)了溫度的測量，在無法直接獲取被測物體溫度的前提下，我們使用第三個(gè)物體，通過熱平衡來對被測物體的溫度進(jìn)行間接反映。