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1、3.8 冰箱模拟实验 本实验通过对电冰箱的研究，将一些热学基本知识，做了综合性应用，可使学生加深对热学基本知识理解，并且得到一次理论与实际相结合的锻炼。【实验目的】（1）学习电冰箱的制冷原理，加深对热学基本知识的理解。 图 1 热力学第二定律（2）测定电冰箱的制冷系数。 【实验原理】 1. 制冷原理(1)制冷的理论基础。热力学第二定律的克劳修斯表述：“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”。因此必须通过某种逆向热力学循环，即外界对系统做功，才能实现热量从低温物体传到高温物体的目的。如图1所示，即 Q2=Q1-W (1)电冰箱就是基于这一制冷基础理论之上，这样的系统称制冷机。(2
2、）制冷的方式。电冰箱大多是用氟里昂作制冷剂，当液体氟里昂在蒸发器里大量蒸发（实际是沸腾，但在制冷技术中习惯称为蒸发）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。（3）制冷剂氟里昂。氟里昂是饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物的统称。本实验中使用的氟量昂 12的分子式为 ，国际统一符号为R12, R12不燃烧，不爆炸，但其蒸汽遇到800以上的明火时，会分解产生对人体有害的毒气，R12的几个有关参数： 沸点（1atm） -29.8 凝固点（1atm）-155 临界温度 112 临界压力 4.05MPa (4) 真实气体的等温线。制冷剂氟里昂在循环过程中的状态变化遵循真实
3、气体的状态变化规律，其图如图2所示。由图2可见真实气体的等温线并非都是等轴的双曲线。如在LM部分，与理想气体的等温线相似，在M点气体开始液化，在M到N点的液化过程中，体积虽在减小，但压力保待不变，是等压过程。其压力称饱和蒸气压，至N点气体完全液化。等温线的MN部分为饱和蒸汽和饱和液体共存的范围，但在NO部分，曲线几乎与压强轴平行，这反映了液体的不易压缩性。随着温度的升高，气液共存状态的范围从MN线段缩小为MN线段，而饱和蒸汽压增高，温度继续升高，等温线的平直部分缩成一点，在图上出现一个拐点K，称临界点，通过临界点的等温线称临界等温线，在临界等温线以上，压强无论怎样加大，气体不可能再液化。在图上
4、不同等温线上开始液化和液化终了的各点可以连成曲线MKN， NK的左边完全是液体，NK线称湿饱和液体线，以干度X=0表示，曲线M K的右边完全是气体状态，MK线称干饱和蒸汽线，以干度X=1表示（干度X表示气液共存区旦饱和蒸汽所占的比例）。（5）电冰箱的制冷循环。电冰箱的致冷循环如图3和图4所示。图3为循环示意图，图4为在图上表示的制冷循环过程。图 3 制冷循环示意图 图 4 制冷循环原理图图 3 制冷循环示意图 图 4 制冷循环原理图2. 制冷循环过程从图4可见，电冰箱的制冷循环主要有4个过程：压缩机压缩R12蒸汽，使它的压力由低增高成高温高压蒸汽；冷凝器（散热器）使高温高压蒸汽放热冷凝为中温高
5、压液体；毛细管使中温高压液体节流膨胀为低温低压气液混合体，并不断供向蒸发器；蒸发器使R12液体吸热成低度低压蒸汽从而达到制冷循环目的。4个过程的具体情况如下： (1) 压缩过程（绝热过程）。在压缩过程中，由于压缩机活塞的运动速度很快，可近似地看作与外界没有热量交换的绝热压缩，在图中为AB的一条绝热线，绝热线下的面积，即为压缩机对系统所做的功。 (2) 冷凝过程（等压过程)。从压缩机排出的制冷剂刚进入冷凝器时是过热蒸汽（B点），它被空气冷却成干饱和蒸汽（C点），并进一步冷却成湿饱和液体（D点），再进一步冷却成过冷液体，直到E点。一般情况下，进入毛细管之前的制冷剂是过冷液体，这是等压过程，在图中为
6、BCDE的一条水平线，在此过程中，制冷剂放出热量Q1。 （3）减压过程（绝热过程）。制冷剂通过毛细管狭窄的通路时，由于磨擦和紊流，在流动方向产生压力下降，此即焦耳汤姆逊节流过程，在图中为从E到F的一条绝热线。(4) 蒸发过程（等压过程）口从毛细管出口经过蒸发器进入压缩机吸入口为止的制冷剂，状态尽管有变化，但其压强是不变的，都是蒸发压强P2，进入蒸发器的制冷剂是气液混合体（F点），制冷剂在通过蒸发器的过程中从周围吸收热量，蒸发成干饱和蒸汽（G点），再进一步成为过热蒸汽被压缩机吸入（A点）。在圈中为FGA的一条水平线，在此过程中，制冷剂吸收热量Q2。以上4个过程，构成电冰箱的制冷循环过程。 3.
7、制冷系数根据热力学第二定律，制冷机的制冷系数为 = Q2/W （2）（2)式表示压缩机对系统所做的功W越小，从低温热源吸收的热量Q2就越多，则致冷系数越大，制冷机就越经济，制冷系数是反映制冷机制冷特性的一个参数，它可以大于1，也可以小于1。如把制冷机看作逆卡诺循环机，则制冷系数 =T2/（T1 T2） (3) 由此可见，对于卡诺循环机致冷系数只与高低温热源的温度值有关，与过程无关，T1和T2的差值越小，即冷冻室的温度与室温越接近，致冷系数越大，致冷效果越好。冰箱里没有需要深度冷冻的物品时，无需将冷冻室的温度调得很低，一般保持在-5左右即可，如此可以节电。【实验装置】模拟电冰箱实验装置(MB2型
8、)，功率计(75/15/300V,0.5/IA)。实验装置如图5所示。 (1) 冷冻室。其组成是在杜瓦瓶中盛三分之二深度的含水酒精作制冷剂，用蛇形管蒸发制冷剂吸热，用加热器平衡制冷剂蒸发吸收热量,并用马达带动搅拌器，使冷冻室内温度均匀。温度计t0用于读出该冷冻室内含水酒精的温度，以判断是否达到热平衡。（2）冷凝器即散热器。在实验装置的背后，接“冷凝器入口B”和“冷凝器出口E”。（3）干燥管和毛细管。干燥管内装有吸湿剂，用于滤出制冷剂中可能存在的微量水分和杂质，防止在毛细管中产生冰堵塞或脏堵塞。内径小于0. 2mm的毛细管用于制冷剂节流膨胀，产生焦耳汤姆逊效应。 （4）压缩机和电流表。压缩机压缩
9、制冷剂，便其压力由低变高。电流表用于监测压缩机的工作电流，当电流大于1A时，制冷系统可能有堵塞情况发生。电流表后装有通电延时器以防压缩机启动时电流过载。 小型电冰箱压缩机的内部包括压缩机和电动机两部分，由电动机拖动压缩机做功。电动机因种种损耗，输向压缩机的功率小于输入电动机的电功率P电，压缩机也因种种损耗，用干压缩气体的功率小于电动机输向压缩机的功率。因此，压缩机对制冷剂做功的功率P（简称压缩机功率）。 （4） (5) 接线柱I，U，*组调压变压器接线柱共两组：I加,U加 ，*组用于接测量加热功率的功率计；I电,U电，*组用于接测量压缩机电功率的功率计。如不用功率计测量，也可以用交流电流表（串
10、联在I，*接线柱间）或交流电压表（I，*接线柱短接），但事前需作电流功率或电压功率定标曲线。实验时，根据测得的电流值或电压值，查得功率值，调节变压器用于调节加热器电压U，以改变加热功率。 (6) 开关 K1为压缩机电源开关,K2 为加热器开关。【实验内容】连接仪器，接通电源，使系统运行正常后进行以下实验。（1）压缩机功率的测量。用功率表测量冷冻室在不同温度t0 时压缩机的电功率P电 ，得压缩机功率P。作关系曲线图。（2）制冷量的测定。制冷量Q表示单位时间内制冷剂通过蒸发器吸收的热量。测量时，利用热平衡方法测出冷冻室在不同温度t0时加热功率P加 ,即制冷量Q。做Q- t0 关系曲线图。（3）求制
11、冷表系数 作制冷系数与冷冻室温度t0的关系曲线图。（4）分析讨论本实验的系统误差。【注意事项】（1）实验时，学生切勿扳动实验装置上任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）压缩机停机后不能立即启动，再次启动要相隔5min。要经常注意电流表的指示值，当指示值急剧增大并超过1A时，要停机检查是否有堵塞情况发生。（3）测量时，要等温度充分温度后（可送冷冻室温度t0判断），在记录数据。【参考文献】 1 郭 红、徐铁军、陈西园、刘凤智编 大学物理实验2003年，中国科学技术出版社2 张兆奎、缪连元、张立编 大学物理实验 2001年，高等教育出版社3 陈守川 大学物理实验教程 1995年，浙江大学出版社。4 李寿松、苏平、王晓耕、李平编 物理实验教程1997年，高等教育出版社
