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1、制冷系数的测定班级:姓名:学号:日期: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
2、得低温的机器。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，。2为低温源放出的热量，可为外界对系统作的功，Q1为高温源吸收的热量，三 者关系为：Q=Q+W2. 制冷系数我们定义制冷系数为8=Q /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Q2。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。2T1理想气体的卡诺逆循环，制冷系数可表达为： =2 = _-1T - T
3、T1 - T 212其中，二和t2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，工作物质必须经过气 体一液体一气体的相变，不能用理想气体
4、。4. 真实气体的等温线气液共存如图二，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。注意： BC上的每一点的状态所含的气、液比例虽不同，但气、液混合物的
5、压强是相同的， 这个压强称为饱和蒸汽压。 温度越高（图中越往右上角的等温线表示的温度越高），代表气液共存的BC段越短， 当温度升高到一定程度。BC段缩成了一个点E，此点称为临界点，相应的等温线为临界等温 线。温度再升高，将不会有液相存在。也就是说，当温度很高时，无论压力怎样大，都不能 把气体压缩为液体。 我们将各等温线的开始液化点B和液化终了点C用虚线连起来。这条虚线下包围的点都表示气液共存，虚线以外，左边是液相，右边是气相。5. 电冰箱的制冷循环:外界空气4 U 七LLU S5骤H-*ffiw 冰箱内 ：1待降温物:图3 :电冰箱的工作结构示意图电冰箱的制冷循环可分为四个过程L-M等压冷凝K
6、-L绝热压缩M-N绝热减压N-K等压蒸发。图 Kf L，压缩机将R12压缩成高压高温气体。 LfM，R12在冷凝器（也就是散热器）中降温，将热量传递给了外界的空气，这个过程是 等压过程，R12温度下降，液化。 MfN，R12在毛细管中经过一个节流过程（关于节流的概念见附录）后，压强和温度都降 低，这时R12温度已变得非常低，气液共存。注意，R12在进入毛细管前先经过干燥器吸收 掉可能混入的微量水分，以免降温后水结冰堵塞毛细管。 NfK，在蒸发器中R12经过蒸发器管道，蒸发吸热。蒸发器是与待降温物相接触的，而 R12在MfN的过程后，温度已变得比待降温物还低，所以R12就吸收待降温物的热量。三、
7、实验装置模拟电冰箱实验（MB-III型）装置如下图所示：马达0000O压精41入口|低压耕_0O|高压表|_05. 电表加热电流、电压，用来测量加热功率。加热器的电压表读数乘上电流表读数即为加热器的功 率。四、实验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：8=Q2/W=Q/P机式中p机为压缩机的有功功率五、实验步骤1. 检查仪器，将测量仪上的加热调压器按逆时针旋至最小。2. 接通实验仪总电源，打开搅拌器开关和制冷开关，
8、压缩机启动开始制冷。3. 按分钟记录蒸发器温度直至最低温度附近（一20C左右），同时观察并记录压缩机排 气口、进气口及冷凝器末端的压力及压缩机功率。要经常注意压缩机电流表的指示值，当指 示值急剧增大并超过1安培时，要停机检查是否有堵塞情况发生。压缩机停机以后不能立即 启动，再次启动要相隔五分钟。4. 打开加热器开关，调节加热器的电压，使蒸发器温度稍稍升高最终稳定保持不变（稳 定的标准为至少两分钟内温度读数不发生改变），这时加热器输出功率与制冷量相等，记录 这些温度下的加热功率及压缩机功率，计算制冷系数。5. 改变加热器电压使蒸发器内的温度从一20C到0C间至少测量六组数据。6. 在进行上述各点
9、加热功率测量的同时，分别记录压缩机排气口、进气口及冷凝器末端 压力。7. 画出压缩机功率一温度关系曲线、制冷量一温度关系曲线、制冷系数一温度曲线，并 分析系统误差。六、实验数据记录和结果：1.实验结果:显示功率 /w修正功率 /w温度/C电压/v电流/A制冷量/w制冷系数12665.52-18.5300.7021.000.3312866.56-17.5350.8028.000.4213168.12-16.0400.9036.000.5213268.64-15.2431.0043.000.6313470.20-14.2471.1051.700.75从上表测量得到的数据可以看到:随着温度的降低，制
10、冷系数减小。2. 根据最小二乘法，利用实验数据，用matlab编程画图得到压缩机功率一温度关系曲线横轴为温度/C，纵轴为压缩机修正功率/w：TO C7D1 1 1 169.569. /68.56067.56766.5辱11111115-16-175-17-16.5-1B-15.5-15-14.5-14制冷量一温度关系曲线横轴为温度/c,纵轴为制冷量/w：制冷系数一温度曲线横轴为温度/C,纵轴为制冷系数:-18.5-13-17.5-17-16.5-16-15.5-15-14.5-140 45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。3. 误差分析：（1）试验中功率显示的示数
11、不稳定，在跳动，观察者取其较稳定时的平均值；（2）实际的压缩计功率应该比读数小，要乘以一个修正系数，也是误差来源；（3）电压和电流的读数也会有误差；（4）仪器本身精密度有限带来误差。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（可从冷冻室温度判断），再记录数据。八. 思考题在一定温度下，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
12、逆循环，制冷系数可表达为 二匚成= ST，T1为常数（室温），T2小于0时，随着温度下降，制冷系数减小。T T T 1 T 212一般热机规律相同。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。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冷冻物；用蛇形管蒸发制冷剂从而吸热;用加热器平衡制冷剂蒸发时的吸热量，并用马达带动搅拌器使冷冻室内温度均匀。温度计用于读出冷冻室内含水酒精温度，以判定是否已达到了热平衡。2.冷凝器即散热器，在实验装置的背后，接“冷凝器入口：3”和“冷凝器出口 E”。3.干燥管和毛细管干燥管内装有吸湿剂，用于滤除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 冷冻堵塞或脏堵塞。内径小于0.2毫米的毛细管用于制冷剂节流膨胀，产生焦耳一汤姆孙效应。4.压缩机和电流表压缩机的有功功率可由整个仪器左上角的功率计读出。而由于有损耗，实际的压缩计功率应该比读数小，其修正公式为：P=0.51 2 3 4P 电其中p为压缩机的实际功率，p电为功率计示数。
