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制冷系数的测定-西安交通大学(精)
5.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
三、实验装置
模拟电冰箱实验(MB-III型)装置如下图所示:
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
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。
图1
如图一,Q2为低温源放出的热量,W为外界对系统作 的功,Q1为高温源吸收的热量,三者关系为:
Q1=Q2+W
2.制冷系数
我们定义制冷系数为
曲线的A→B段表示气相;
从B→C,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C→D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:
①BC上的每一点的状态所含的气、液比例虽不同, 但气、液混合物的压强是相同的,这个压强称为饱和 蒸汽压。 ②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。 ③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。
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:
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 的相变,不能用理想气体。
液体
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:
ε =Q2/W
可见,当ε 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,ε 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:
T2 T1 T2
其中,T1和T2分别为高温源和低温源的温度。
3.制冷方式
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。
制冷系数:
ε =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,压缩机启动开 始制冷。
⒊按分钟记录蒸发器温度直至最低温度附近(-20℃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。
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。
图4:工作为物质氟里昂(以下简称R12)的工作循环p-V图。 ①K→L,压缩机将R12压缩成高压高温气体。 ②L→M,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。 ③M→N,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图
电冰箱的制冷循环可分为四个过程:
K→L绝热压缩 M→N绝热减压 L→M等压冷凝 N→K等压蒸发。
② ③ ①
④
④N→K,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M→N 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。
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 — 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=0.52P电 其中P为压缩机的实际功率,P电为功率计示数。