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。