制冷系数的测定

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1、制冷系数的测定制冷系数的测定 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

2、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，Q 2 为低温源放出的热量，为外界对系统作的功，Q 1 为高温源吸收的热量， 三者关系为： Q 1 =Q 2 +W 2制冷系数 我们定义制冷系数为 =Q 2 /W 可见，当较大时，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Q 2 。 从实用的角度说，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：

3、 = -1 2 1 2 T T T 2 1 1 T T T 其中，T 1 和T 2 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

4、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AB段表示气相； 从 BC，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 CD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。 四、实验

5、内容 测量压缩机功率、制冷量、制冷系数及其与温度的关系曲线。 制冷量Q表示单位时间内制冷剂通过蒸发器吸收的热量，Q用热平衡方法测量。对冷冻室在制冷的条件下加热，当温度保持不变，这时加热器的加热功率P 热 即为制 冷量Q 制冷系数：=Q 2 /W=Q/P 机 式中p 机 为压缩机的有功功率 五、实验数据记录和结果： 1.实验结果： 温度/ 显示功率/W 电压/V 电流/A 功率/W 制冷量/W 制冷系数 -16.0 129 10 0.15 67.08 1.5 0.02236 -14.9 131 16 0.30 68.12 4.8 0.07046 -14.1 133 20 0.49 69.16 9

6、.8 0.14170 -12.9 135 25 0.60 70.2 15.0 0.21368 从上表测量得到的数据可以看到：随着温度的降低，制冷系数减小。 2.利用实验数据，进行画图 -16.5_ -16.0_ -15.5_ -15.0_ -14.5_ -14.0_ -13.5_ -13.0_ -12.5_ -12.0_ 66.5 67 67.5 68 68.5 69 69.5 70 70.5 功率与温度曲线图 温度/ 功率/W -16.5_ -16.0_ -15.5_ -15.0_ -14.5_ -14.0_ -13.5_ -13.0_ -12.5_ -12.0_ 0.0_ 2.0_ 4.0

7、_ 6.0_ 8.0_ 10.0_ 12.0_ 14.0_ 16.0_ 制冷量与温度曲线图 温度/ 制冷量/W-16.5_ -16.0_ -15.5_ -15.0_ -14.5_ -14.0_ -13.5_ -13.0_ -12.5_ -12.0_ 0.00000_ 0.05000_ 0.10000_ 0.15000_ 0.20000_ 0.25000_ 制冷系数与温度曲线图 温度/ 制冷系数 从图可知，随着温度降低，压缩机修正功率、制冷量和制冷系数均减小。 六、误差分析： （1）试验中功率显示的示数不稳定，以最小值为实验值本身存在误差 （2）电压和电流的读数存在偶然误差 （3）仪器本身精密度

8、有限带来误差 （4）试验中我们看到温度的示数一直有一个较大范围的波动，而且随着时间的增长， 温度可能还会有降低，所以温度的测量本身存在误差 七、注意事项 1. 实验时，学生切勿搬动实验装置上的任何一部件和仪器背后的制冷剂充注阀，以免 造成制冷剂泄漏而损坏仪器。 2. 整个实验过程中必须一直打开搅拌器，以防止杜瓦瓶中液体结冰损坏实验仪器。 3. 测量时，要等温度充分稳定后（可从冷冻室温度t 0 判断） ，再记录数据。 八、思考题 1、在一定温度下，随着被冷却液温度的降低，预计制冷机的制冷量和制冷系数是增加 还是降低？为什么？ 答：制冷机的制冷量和制冷系数均降低。理想气体的卡诺逆循环，制冷系数可表达为 = -1,T1为常数（室温） ，T2小于0时，随着温度下降，制冷系数减小。 2 1 2 T T T 2 1 1 T T T 制冷量也会下降 2、为什么测量时一定要使被冷却液温度充分稳定后才记录数？ 答：因为如果液体温度没有充分稳定，就说明加热功率和制冷功率没有平衡，导致PQ， 测量结果就会出现错误。 九拓展 蒸发制冷主要用于空调和冰箱的制冷技术中。如果工作物质用氦，一般最低可获得1K 左右的低温。在低温技术中常根据不同的目的采用不同的制冷方法。如果要液化气体，常 用节流膨胀的方法，在节流膨胀的制冷区节流膨胀可以使气体降温。1K以下的极低温可用 绝热去磁、稀释制冷方法获得。