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热泵温度限制器工作原理

时间:2024-08-23 百科知识 版权反馈
【摘要】:1850年,克劳修斯从不同角度提出了热力学第二定律的另一说法,表述为:不可能使热量由低温物体向高温物体传递而不引起其他变化。以上三种说法都是从自然现象的方向性角度去描述热力学第二定律的。以上四种说法是热力学第二定律不同的表述形式。卡诺定理成为热力学第二定律的最早表达形式。

热力学第一定律论述了热能在和其他形式能量相互转换时,能量的总量始终保持守恒的原则,是从量的角度来考虑问题的。众所周知,内燃机中燃料燃烧所释放的热能不可能全部被用来做功,总有一部分热量将随着工质的排出而被释放到温度相对较低的环境气体中,这说明热能和电能或者其他形式能量相比,存在做功能力的差别,或者说品质的差别;又如传热过程中,热量总是自发地从温度较高的物体传向温度较低的物体,不可能自发地沿相反方向传递,这说明热现象的过程进行是有条件、有方向的。

热力学第二定律是从能质的属性出发,来阐述能量转换的客观规律。热能属于品质较低的能量,这是热能有别于其他能量的特殊属性。正因为如此,生产实践中当其他形式能量转变为热能时,虽然能的总量始终未变,但能质却降低了,即可用能的量减少了。热力学第二定律正是人们在长期实践经验的基础上,对能量转换的条件性和方向性问题的深入认识。

热力学第二定律针对不同现象有不同的描述方式,一般都是说明实现某种能量转换过程的必要条件。由于这类过程的多样性,热力学第二定律也就有多样的表述方式,以下将就一些代表性的描述方式进行说明。

1)开尔文-普朗克说法

开尔文-普朗克说法是以长期的热机制造经验为基础,对热机中能量转换规律的总结。具体描述为:不可能建造一种循环工作的机器,其作用只是从单一热源吸热并全部转变为功,而不产生其他变化。

热机在实际工作中,必须同时具备两个或两个以上的热源。高温热源用于提供转换为机械功所需的热量;低温热源用于接收一部分来自高温热源的热量,作为实现做功的必要补偿。

如图3.4所示,热机从高温热源T1吸热Q1,Q1不可能全部转化为机械功W0,必然要向低温热源T2放热Q2

图3.4 热机的工作

取热机为一个热力系统,则必然有

W0=Q1-Q2

需要注意的是,不能把上述描述简单理解为:热量不能完全转化为功。考虑理想气体在气缸内无摩擦推动活塞做功的过程,若气体从单一热源吸热且过程为等温过程,则所吸收的热量的确全部转化为功。但这时系统体积必然膨胀,过程不可能无限延续下去。因而只有循环工作的机器才能连续不断地实现一定的能量转换,开尔文-普朗克说法中所指的就是这种能够连续不断地工作的机器。

所谓第二类永动机,即设想的能够完成从单一热源取热,将热量全部转换为功而不引起其他变化的机器,这种机器的热效率为100%。这种设想本身并不违反热力学第一定律,因为在其所设想的过程中总能量的确是守恒的,但却违反了开尔文-普朗克说法的内容。因此热力学第二定律又可以表述为:“第二类永动机是不可能制成的”或“热机的热效率不可能达到100%”。

例如,图3.5所示的循环,由定熵压缩、定容加热和定熵膨胀三个过程组成,但没有放热过程。如果该循环成立,则为“从单热源吸热而使之全部转变为功”。所以,该循环违背了热力学第二定律的开尔文-普朗克表述,是不可能实现的。

图3.5 无向冷源放热的热力学过程

2)克劳修斯说法

1850年,克劳修斯从不同角度提出了热力学第二定律的另一说法,表述为:不可能使热量由低温物体向高温物体传递而不引起其他变化。以制冷机的工作循环为例,制冷机实现了热量由低温物体向高温物体的传递,但付出的代价是消耗外功,即已经引起了其他变化。如图3.6所示,制冷机从低温热源T2吸热Q2,向高温热源T1放热Q1,必然要消耗机械功W0。取制冷机为一个热力系统,则必然有

图3.6 制冷机的工作

热力学第二定律的开尔文普朗克表述与克劳修斯表述虽然从不向热现象的角度阐述过程进行的条件,其实质是完全一致的,若违反其中某一种表述,则必然也违反了另外一种表述形式。接下来将证明开尔文-普朗克表述与克劳修斯表述的等价性。

采用反证法,即违背开尔文-普朗克说法的,也一定违背克劳修斯说法。将一台热机A与一台制冷机B串联组成联合机器,如图3.7所示。

先假设该机器的工作违背开尔文普朗克表述,即存在一个单一热源,使热机A运转,并全部转变为机械功W0

取热机A为一个热力系统,则

此时,热机A从高温热源T1吸热,全部转变为机械功W0,显然违背了热力学第定律的开尔文-普朗克表述。

而这个机械功W0又对制冷机B做功,使之从低温热源T2吸热Q2,而向高温热源T1放热Q1。现在取热机A和制冷机B整体为一个热力系统,则说明,当热机A和制冷机B联合作用时,系统从低温热源T2吸热Q2,向高温热源T1放热(Q1),而并没有引起外界的任何变化,所以违背了克劳修斯说法。

由此可证明,两种说法是等价的。

3)喀喇氏说法

1909年,希腊数学家喀喇氏(Caratheodory)把热力学第二定律概括叙述为:在一物系任意给定的平衡状态邻域,总有从给定态出发不可能经绝热过程达到的态存在。喀喇氏说法和开尔文-普朗克说法在叙述上是等效的,但克劳修斯说法和开尔文-普朗克说法是分别从温差传热和热功转换现象出发,而喀喇氏说法则直接从物系出发,把一切自然现象都概括为绝热过程。

图3.7 热机与制冷剂组成的联合机器

与开尔文-普朗克说法、克劳修斯说法一样,喀喇氏说法是不可能用数学方法来证明的,它只能被众多的实验和现象所证实。例如,焦耳的热功当量实验中,不断能从终态经内绝热过程返回初态。此外,需要注意的是,喀喇氏说法中只是提到某些态不能用绝热过程达到,并未提到任何具体的不可逆过程,因此这个说法对于可逆与不可逆均适用。

4)能质贬低原理

以上三种说法都是从自然现象的方向性角度去描述热力学第二定律的。而能质贬低原理则将自然过程的方向性与能量的品质联系起来,表述为:一切自发过程都是不可逆的,都伴有能量的降级。以上四种说法是热力学第二定律不同的表述形式。

5)卡诺循环和卡诺定理

1824年,法国工程师卡诺提出了卡诺循环的概念,论述为:由两个等温过程和两个等熵(绝热)过程组成的循环,其循环热效率为最高。在此基础上,卡诺发表了著名的卡诺定理:在两个给定热源之间工作的所有热机,以可逆热机的热效率为最高。卡诺定理成为热力学第二定律的最早表达形式。

卡诺循环是两个恒温热源间的可逆循环,同时也是最简单的可逆循环。所谓最简单,是指卡诺循环的热力过程结构最为简单:两个定温过程和两个等熵过程。即便如此,卡诺循环仍旧实现了过程可逆的基本思想——通过保证工质从高温热源吸热和向低温热源放热为温差趋于零的等温过程,消除了热交换时的内部耗散效应,因此卡诺循环消除了循环过程中包括内不可逆和外不可逆的所有不可逆因素。

卡诺循环和卡诺定理的意义在于指出了实际热机的极限理想热效率,提出了改进循环进行程度的标准和方法。卡诺循环热效率公式为

由此可见,提高卡诺循环以及同温限下其他可逆循环热效率的途径为提高热源温度T1和降低冷源温度T2;但由于冷源温度T2不可能低至0 K,热源温度T1不可能高至∞。因此,即使在卡诺循环这样的理想情况下,循环热效率达到100%也是不可能的,只能小于100%;而这个小于100%的卡诺循环热效率则成为实际发动机提高热效率所能达到的极限和标准。这同时也说明不可能把从高温热源所吸收的热量全部转换为功,即单一热源的热机是不可能建造成功的。

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