典型工作任务2　热力学定律制冷技术应用

1.2.1　任务目标

1.掌握热力学定律及其含义。

2.了解热力学定律的应用。

1.2.2　相关配套知识

1.热力学过程

在环境的作用下，系统从一个平衡状态变化到另一个平衡状态的过程称为热力学过程。在实际过程中，系统所经历的一系列状态一般都是不平衡状态，如果所经历的状态都无限接11近于平衡状态，并且没有摩擦，则为可逆过程。可逆过程是实际过程所能趋近的极限。

通常热力学过程有以下几类：

①等温过程：系统的始态和终态的温度与环境温度相同，且环境温度不变的过程。在变化过程中系统温度不一定恒定。

②等压过程：系统的始态和终态的压力与环境压力相等，且环境压力为一恒定值的过程。在变化过程中系统的压力不一定恒定。

③等容过程：系统的始态和终态体积相等的过程，即ΔV=0。

④绝热过程：系统与环境之间用绝热壁隔开，此时系统中所进行的过程称为绝热过程。

⑤循环过程：系统经一系列变化后又回到原来状态的过程。

2.热力学定律

热力学定律是描述物理学中热学规律的定律，包括热力学第零定律、热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律。其中热力学第零定律又叫热平衡定律，这是因为热力学第一、第二定律发现后才认识到这一规律的重要性；热力学第一定律即能量守恒定律；热力学第二定律有多种表述，也叫熵增加原理。热力学定律是热力学的基础。

根据热力学第零定律，确定了状态函数——温度；

根据热力学第一定律，确定了状态函数——内能和焓；

根据热力学第二定律，确定了状态函数——熵。可以用熵对第二定律作定量的表述。

（1）热力学第一定律

热力学第一定律是能量守恒定律，也叫能量不灭原理。自然界的一切物质都具有能量，能量有不同形式，能量不可能被创造也不可能被消灭，而只能在一定条件下从一种形式转变为另一种形式，而在转变过程中总能量是守恒的。

因此，热力学第一定律可表述为：在热能与其他形式能的相互转换过程中，能的总量始终保持不变。

（2）热力学第二定律

自然界中任何过程的发生都遵循热力学第一定律和热力学第二定律；热力学第一定律是从能量转化的量的角度来衡量、限制并规范过程的发生；热力学第二定律是从过程的方向性上规定着过程的进行。

热力学第二定律有以下几种表述方式：

①热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体（不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化，这是按照热传导的方向来表述的）。

②不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响（这是从能量消耗的方向来表述的）。

③孤立系统的熵永不减少，即熵增加原理。

（3）热力学第三定律

热力学第三定律是对熵的论述，通常表述为：

在绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零；或者绝对零度不可达到。

所谓“完美晶体”是指没有任何缺陷的规则晶体。

（4）热力学第零定律

热力学第零定律又叫热平衡定律，它是在第一、第二定律发现之后才被人类发现的，由于其重要性，我们将之命名为第零定律。表述如下：

如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡（温度相同），则它们彼此也必定处于热平衡。

热力学第零定律的重要性在于它给出了温度的定义和温度的测量方法。定律中所说的热力学系统是指由大量分子、原子组成的物体或物体系。它为建立温度概念提供了实验基础。这个定律反映出：处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度。而温度相等是热平衡之必要的条件。

3.热力学定律在制冷技术中的应用

人工制冷也叫“机械制冷”，是借助于一种专门的设备（制冷机），消耗一定的外界能量，迫使热量从温度较低的被冷却物体，传递给温度较高的环境介质，得到人们所需要的各种低温。人工制冷的方法很多，大致可分为物理方法和化学方法两类，而绝大多数的人工制冷方法属于物理方法。在普通制冷技术领域内，应用最广泛的物理方法有相变制冷、蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷等。

在这些制冷方法中，不仅有能量的转移，也包括热功转换的过程。热力学第一定律是能量守恒定律指出：自然界中的一切物质都具有能量，能量能够从一种形式转换为另一种形式，从一个物体转移到另一个物体，而在转换和转移的过程中能量的总量不变。热力学第一定律指出了能量转换和转移在数量上的关系。热力学第二定律提示了能量转换的条件。热力学第二定律指出：机械功可以全部变为热，但热不能无条件的全部转换为机械功，即不可能从单热源取热，使之完全变为功而不引起其他的变化。由此可知，利用一个热源无法完成循环过程。第二定律同时指出：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。因此，要使热量从低温物体传到高温物体，必须要有一个补偿过程。人工制冷的过程就是在外界的补偿下，将低温物体的热量向高温物体传送的过程。

除此之外，我们还利用热力学第零定律实现了温度的测量，在无法直接获取被测物体温度的前提下，我们使用第三个物体，通过热平衡来对被测物体的温度进行间接反映。