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1、热泵基础理论一、热力学原理 1.制冷与热泵的历史 我国是最早利用天然冷源的国家之一。3000多年前就懂得贮藏和利用天然冰，战国时就有专门的“冰房”，三国时代已把冰加以专门贮存，就象粮食、食盐一样。近代中国科技落后，1949年新中国建立时，仅上海、天津、汉口等几个口岸城市有几座冷库。制冷空调行业、制冷空调科学研究和教育完全是空白。一直到1956年我国才开始在大学中设立制冷学科。 利用天然冷源严格说还不是人工制冷，人工制冷始于十九世纪。1834年英国人波尔金斯制成了用乙醚为制冷剂的第一台制冷机，1844年美国人高斯发明了空气压缩式制冷机，1862年法国人卡尔里制成吸收式制冷机。1874年德国人林德
2、发明了世界上第一台氨压缩机，使制冷技术进入实际应用的广阔天地。人工制冷不受季节、区域等的限制，可以根据需要制取不同的低温。随后，人们又发现了蒸汽喷射式制冷、半导体制冷等制冷方法。 1）热力学基本定理 热力学第零定律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。 热力学第一定律能量守恒定律在热学形式的表现。 热力学第二定律力学能可全部转换成热能， 但是热能却不能以有限次的实验操作全部转换成功 (热机不可得)。 热力学第三定律绝对零度不可达到但可以无限趋近。 2）三定律的发展 法国物理学家卡诺（Nicolas Leonard Sadi Carn
3、ot,17961823）(左图)生于巴黎。其父L.卡诺是法国有名的数学家、将军和政治活动家，学术上很有造诣，对卡诺的影响很大。 卡诺身处蒸汽机迅速发展、广泛应用的时代，他看到从国外进口的尤其是英国制造的蒸汽机，性能远远超过自己国家生产的，便决心从事热机效率问题的研究。他独辟蹊径，从理论的高度上对热机的工作原理进行研究，以期得到普遍性的规律；1824年他发表了名著谈谈火的动力和能发动这种动力的机器（右图），书中写道：“为了以最普遍的形式来考虑热产生运动的原理，就必须撇开任何的机构或任何特殊的工作介质来进行考虑，就必须不仅建立蒸汽机原理，而且建立所有假想的热机的原理，不论在这种热机里用的是什么工作
4、介质，也不论以什么方法来运转它们。” 卡诺出色地运用了理想模型的研究方法，以他富于创造性的想象力，精心构思了理想化的热机后称卡诺可逆热机（卡诺热机），提出了作为热力学重要理论基础的卡诺循环和卡诺定理，从理论上解决了提高热机效率的根本途径。 卡诺在这篇论文中指出了热机工作过程中最本质的东西：热机必须工作于两个热源之间，才能将高温热源的热量不断地转化为有用的机械功；明确了“热的动力与用来实现动力的介质无关，动力的量仅由最终影响热素传递的物体之间的温度来确定”，指明了循环工作热机的效率有一极限值，而按可逆卡诺循环工作的热机所产生的效率最高。实际上卡诺的理论已经深含了热力学第二定律的基本思想，但由于受
5、到热质说的束缚，使他当时未能完全探究到问题的底蕴。 1832年8月24日卡诺因染霍乱症在巴黎逝世，年仅36岁。按照当年的防疫条例，霍乱病者的遗物一律付之一炬。卡诺生前所写的大量手稿被烧毁，幸得他的弟弟将他的小部分手稿保留了下来，其中有一篇是仅有21页纸的论文-关于适合于表示水蒸汽的动力的公式的研究，其余内容是卡诺在1824-1826年间写下的23篇论文。 后来，卡诺的学术地位随着热功当量的发现，热力学第一定律、能量守恒与转化定律及热力学第二定律相继被揭示的过程慢慢形成了 热力学第一定律与能量守恒定律有着极其密切的关系。 德国物理学家、医生迈尔（Julius Robert Mayer，18141
6、878）（左图）1840年2月到1841年2月作为船医远航到印度尼西亚。他从船员静脉血的颜色的不同，发现体力和体热来源于食物中所含的化学能，提出如果动物体能的输入同支出是平衡的，所有这些形式的能在量上就必定守恒。他由此受到启发，去探索热和机械功的关系。他将自己的发现写成论力的量和质的测定一文，但他的观点缺少精确的实验论证，论文没能发表（直到1881年他逝世后才发表）。迈尔很快觉察到了这篇论文的缺陷，并且发奋进一步学习数学和物理学。1842年他发表了论无机性质的力的论文，表述了物理、化学过程中各种力（能）的转化和守恒的思想。迈尔是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人。但1842年发表
7、的这篇科学杰作当时未受到重视。 以后英国杰出的物理学家焦耳（James Prescort Joule,18181889）（右图）、德国物理学家亥姆霍兹（Hermannvon Helmholtz,18211894）等人又各自独立地发现了能量守恒定律。 1843年8月21日焦耳在英国科学协会数理组会议上宣读了论磁电的热效应及热的机械值论文，强调了自然界的能是等量转换、不会消灭的，哪里消耗了机械能或电磁能，总在某些地方能得到相当的热。焦耳用了近40年的时间，不懈地钻研和测定了热功当量。他先后用不同的方法做了400多次实验，得出结论：热功当量是一个普适常量，与做功方式无关。他自己1878年与1849年
8、的测验结果相同。后来公认值是427千克重米每千卡。这说明了焦耳不愧为真正的实验大师。他的这一实验常数，为能量守恒与转换定律提供了无可置疑的证据。 1847年，亥姆霍兹（左图）发表论力的守恒，第一次系统地阐述了能量守恒原理，从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示其运动形式之间的统一性，它们不仅可以相互转化，而且在量上还有一种确定的关系。能量守恒与转化使物理学达到空前的综合与统一。 将能量守恒定律应用到热力学上，就是热力学第一定律。 热力学第二定律是在能量守恒定律建立之后，在探讨热力学的宏观过程中而得出的一个重要的结论。 1834年，卡诺去世两年后，卡诺的谈谈火的
9、动力和能发动这种动力的机器才有了第一个认真的读者-克拉派隆（Benoit Paul Emile Clapeyron,1799-1864）（右图）。他比卡诺低几个年级。他在学院出版的杂志上发表了题为论热的动力的论文，用PV曲线翻译了卡诺循环，但未引起学术界的注意。 英国物理学家开尔文（Lord Kelvin，1824-1907）（左图）在法国学习时，偶尔读到克拉派隆的文章，才知道有卡诺的热机理论。然而，他找遍了各图书馆和书店，都无法找到卡诺的1824年论著。实际上，他根据克拉派隆介绍卡诺理论写的建立在卡诺热动力理论基础上的绝对温标一文在1848年发表。1849年，开尔文终于弄到一本他盼望已久的卡
10、诺著作。1851年开尔文从热功转换的角度提出了热力学第二定律的另一种说法，不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响；或不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低，从而获得机械功。 德国物理学家克劳修斯（Rudolph Julius Emmanuel Clausius ，1822-1888）（右图）一直没弄到卡诺原著，只是通过克拉派隆和开尔文的论文熟悉了卡诺理论。1850年克劳修斯从热量传递的方向性角度提出了热力学第二定律的表述：热量不可能自发地、不花任何代价地从低温物体传向高温物体，他还首先提出了熵的概念 英国物理学家克拉克.麦克斯韦（James Clerk M
11、axwell，18311879）（左图）是经典电磁理论的奠基人。但他兴趣广泛，才智过人，不但是建立各种模型来类比不同物理现象的能手，更是运用数学工具来分析物理问题的大师。他在热力学领域中也做出了贡献。1859年他用统计方法导出了处于热平衡态中的气体分子的“麦克斯韦速率分布律”。 1877年，奥地利物理学家玻尔兹曼（Ludwig Eduard Boltzmann，18441906）（右图）发现了宏观的熵与体系的热力学几率的关系。他在使科学界接受热力学理论、尤其是热力学第二定律方面立下了汗马功劳。 2热力学温标 温度，从宏观上看是物体冷热的程度，从微观上看是分子平均动能的大小。 摄氏度是目前世界使
12、用比较广泛的一种温标，它是18世纪瑞典天文学家安德斯摄尔修斯提Anders Celsius（1701-1744）出来的。他把水的沸点定为一百度，冰点定为零度，其间分成一百等分，一等分为一度。 1714年德国人法勒海特Gabriel D. Fahrenheir（1681-1736）以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计，选取氯化铵和冰水的混合物的温度为温度计的零度，人体温度为温度计的100度，把水银温度计从0度到l00度按水银的体积膨胀距离分成100份，每一份为1华氏度，记作“1”。按照华氏温标，则水的冰点为32，沸点为212。 摄氏度与华氏度的换算关系为： 华氏度32摄氏度1.8 摄氏度（华氏度
13、32）1.8 国际上规定热力学温标作为测量温度的最基本温标，它是根据热力学第二定律制定的，与物质无关。热力学温标的温度单位为开尔文，符号为K，把水的三相点的温度，即水的固相、液相和气相平衡共存状态的温度作为单一基准点，规定其273.16K。因此，1K就等于水的三相点的1/273.15。 1960年，国际计量大会通过决议，规定摄氏温度由热力学温度移动零点而来，即： t=T-273.15 K 式中，t为摄氏温度，其温度单位为摄氏度，符号为。T为热力学温标。由式可知，热力学温标与摄氏温标并无实质差异，仅仅是零点取值不同。 3基本传热过程 热从温度高的物体传到温度低的物体，或者从物体的高温部分传到低温
14、部分，这种现象叫做热传递。 热传递是自然界普遍存在的一种自然现象。只要物体之间或同一物体的不同部分之间存在温度差，就会有热传递现象发生，并且将一直继续到温度相同的时候为止。 发生热传递的唯一条件是存在温度差，与物体的状态，物体间是否接触都无关。热传递的结果是温差消失，即发生热传递的物体间或物体的不同部分达到相同的温度。 在热传递过程中，物质并未发生迁移，只是高温物体放出热量，温度降低，内能减少（确切地说是物体里的分子做无规则运动的平均动能减小），低温物体吸收热量，温度升高，内能增加。因此，热传递的实质就是内能从高温物体向低温物体转移的过程，这是能量转移的一种方式。 热传递有三种方式：传导、对流
15、和辐射。 物体各分子间不发生相对位移时，依靠分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为传导 单位时间内通过某一特定面积的热量称为热流量，记作Q，单位为W。单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度，记为q，单位为W/。其计算公式为 式中称为导热系数，表达的是物体靠传导传递热量的能力。其数值越大，物体导热能力越好。 对流是指流体各部分之间发生相对位移，冷热流体互相掺混所引起册热量传递方式。对流只能发生在流体中，并且必然伴随着导热现象。工程上没有纯粹的对流传热，常遇到的是流体流过物体表面时对流和传导联合作用的热量传递过程，被称为对流换热。 以引起对流的原因来区分，对流可分为自然对流和强制对流。自然对流是流体各部分密度不同而引起的，比如热的烟气上升。如果流体的流动是由于外力所造成的压力差造成的，则称为强制对流。 工程上还有液体在热表面上沸腾和在冷表面上凝结的对流换热过程，分别成为沸腾换热和凝结换热。他们是伴有相变过程的对流换热。 对流换热的基本计算公式
