19.热力学第二定律演示

实验十九热力学第二定律演示仪

——家用冰箱空调制冷系统原理

【仪器介绍】

如图19-1所示，即为热力学第二定律演示仪。

【操作与现象】

实验开始，接通电源，打开电源开关，全封闭压缩机工作，活塞上下推动，高温热源内部压力增加，开始产生高温高压气体，由于存在节压阀，高温高压气体在通过节压阀之前，开始凝解，变成高压液体，内部温度上升，高温热源开始向外界放出热量。用手触摸散热器明显发热，温度可达40～50℃，又由于节压阀的存在，使低温热源内部压力很低，由节压阀过来的工质在其附近变成低压液体，在低温热源处开始蒸发，温度下降，于是低温热源开始从外界吸收热量，蒸发器表面结霜。这以后，卡诺管中的工质又循环流到全封闭压缩机处，再通过压缩机推动活塞，开始下一次循环。至此就完成一个完整的卡诺循环，实验演示也就完成。

【原理解析】

热力学第二定律的克劳修斯表述指出，热量能够自动地从高温物体向低温物体传递，但不会自发地从低温物体向高温物体传递，只有在外界帮助才能进行。

我们平常所说的高温、低温是人们约定的，而热力学第二定律所说的高温热源或低温热原是以热力学温标为标准来定义的。而热力学温标又是建立于卡诺定理基础上。实验时压缩机工作。活寒上下推动使卡诺管内工质（理想气体）循环流动，于是在高温热源处内部压力增加，温度升高，高温热源对外放热，内部工质经节压阀流向低温热源。而低温热源内部压力低，于是从外界吸收热量，最后工质又流向压缩机，经压缩机开始新的循环。整个工作过程就是个卡诺循环过程，主要是由于压缩机功使内部工质的物态发生变化来完成的，从而能很好地说明热力学第二定律的内容。

1．冰箱制冷原理

电冰箱就是利用了液体汽化吸热来制冷的，该种电冰箱由电动机提供机械能，通过压缩机对制冷系统作功，制冷系统利用低沸点的制冷剂，蒸发时，吸收汽化热的原理制成的。

电冰箱的喉管内，装有一种称为氟利昂，俗称雪种的致冷剂，这是一种无色无臭无毒的气体，沸点为29℃。氟利昂在气体状态时，被压缩器加压，加压后，经喉管流到电冰箱背部的冷凝器，借散热片散热（物质被压缩后，温度就会升高）后，冷凝而成液体。液体的氟里昂进入蒸发器的活门之后，由于脱离了压缩器的压力，就立即化为蒸汽，同时向电冰箱内的空气和食物等吸取汽化潜热，引致冰箱内部冷却。汽化后的氟里昂又被压缩器压回箱外的冷凝器散热，再变为液体，如此循环不息，把冰箱内的热能泵到冰箱外。

图19-2电冰箱制冷系统循环原理图

2．家用空调制冷系统原理：

基本原理与上述冰箱制冷原理相同。

制冷时致冷剂在冷凝器中释放热量冷却，热量被空气吸收，并由风机排出室外，在蒸发器中制冷剂吸收空气热量，冷空气被风扇吹入室内。

制热时由电磁换向阀迫使致冷机流动方向发生变化，蒸发器变成冷凝器，制冷器在冷凝器中放出热量，由风扇吹入室内，室内达到采暖目的。

【实验拓展】

1、自然界的过程都遵守能量守恒定律，那么，作为它的逆定理：“遵守能量守恒定律的过程都可以在自然界中出现”，能否成立？

2、冰箱制冷过程是卡诺循环吗？