引入

空调吹冷风,但室外机在放热。它不是“制造冷”,那是怎么工作的?

为什么热机效率永远达不到 100%?

卡诺循环为什么是效率的理论上限?

空调和冰箱看起来在“反向”工作:把热量从低温搬到高温。这正是逆循环。理解了正循环和逆循环的对应关系,热机和制冷机就是同一套理论的两面。

正文

定义

循环过程是系统经过一系列变化后回到初态的过程。按在 - 图上的走向,分为正循环和逆循环。

正循环(热机)

在 - 图上沿顺时针方向进行,系统对外做净功:

其中 是从高温热源吸收的热量, 是向低温热源放出的热量。

热机效率:

效率永远小于 1,因为必须有部分热量排向低温热源。

逆循环(制冷机/热泵)

沿逆时针方向进行,外界对系统做功,把热量从低温搬到高温:

制冷系数:

热泵的性能系数(从低温取热、向高温放热):

正逆循环对照

项目正循环逆循环
- 图方向顺时针逆时针
净功系统对外做功外界对系统做功
目的把热转化为功把热从低温搬到高温
效率指标
典型装置蒸汽机、内燃机空调、冰箱、热泵

为什么空调能吹冷风

空调不是“产生冷”,而是把室内的热量搬到室外:

  1. 制冷剂在室内蒸发,吸收室内热量
  2. 压缩机把制冷剂压缩,温度升高
  3. 高温制冷剂在室外冷凝,放出热量
  4. 节流阀降压,制冷剂回到低温,循环重新开始

整个过程消耗电能,完成“热量从低温到高温”的搬运。这并不违反第二定律,因为有外界做功。

卡诺循环

卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成,是可逆循环的理想模型。

卡诺热机效率:

其中 、 分别是高、低温热源的温度(热力学温度)。

卡诺定理:在相同高低温热源之间工作的一切热机,可逆热机的效率最高,且所有可逆热机的效率都等于卡诺效率。

效率的现实限制

因素影响
热源温度 越高、 越低,理论效率越高
不可逆性摩擦、有限温差传热都会降低效率
材料限制高温下材料强度和耐热性有限
经济性追求极限效率可能不划算

实际热机效率远低于卡诺效率,通常只有 30%–40%。

制冷系数可以大于 1

制冷系数 可以大于 1,这不违反能量守恒。因为它衡量的是“搬运的热量”与“消耗的功”之比,而不是“产生的能量”与“消耗的能量”之比。

卡诺制冷机的制冷系数:

温差越小,制冷系数越大。这就是为什么空调在温差小的时候更省电。

引出

卡诺定理如何从热力学第二定律推出?

为什么实际热机效率远低于卡诺效率?

热泵的 COP 与制冷系数有什么关系?