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热力学

制冷循环

把热机倒转,用功 W 把热从冷搬到热。QH = QC + W,性能为 COP = QC/W,卡诺 COP = TC/(TH−TC)

把热机倒过来转,它就成了制冷机。热不再从热的一侧落到冷的一侧来换取功,而是花费功,把热从冷的一侧推到热的一侧。这是热逆向爬坡的唯一道路,冰箱、冷柜和热泵都这样动。

冷侧的热要花费功才爬到热侧,热侧收到的是 QH = QC + W。热本来会自己从热侧流到冷侧,要把它倒着推上去就需要一台泵,付出的功会全部变成热,加到热侧上。

真实的冰箱里,制冷剂走四个装置。它在蒸发器里沸腾,吸走冷侧的热,压缩机把压力抬高,在冷凝器里凝结,把热放到热侧,膨胀阀再把压力降下来。这是倒过来的朗肯循环,制冷剂沸点很低,所以即使在冰箱里面这样冷的地方也会蒸发并吸热,和汗蒸发让皮肤变凉是同一个道理。

制冷机不用效率,而用性能系数 COP = QCW 来评价,也就是每单位功搬走的热,通常大于 1。因为它搬走的热比花费的功多。超过 1 并不是造出能量,机器不是变出原来没有的热,只是把已经在那里的热从冷处舀走,所以搬走的热可以多于花费的功。

同一台机器,想让冷侧保持冷就是制冷机,那时有用的是 QC;想让热侧变暖就是热泵,那时有用的是 QH。因为 QH = QC + W,热泵的系数总比制冷的系数大 1。所以用热泵取暖比电暖器划算,电暖器把一块电变成一块热,热泵却从室外空气或地下舀来免费的热,送出好几倍。

制冷是把热机倒过来转,把热往上搬必须花功,用性能系数来评价,最大的 COP = TC(TH−TC) 随温差变小而变大。至此环合上了。从一个状态走到定律,再走到运转世界的循环。这道温差的力量在家里也看得到,热泵在内外温差拉得最大的最冷那天,转得最吃力。

实际应用制冷机和热泵把热机倒过来转,花费功把热从冷处搬到热处。按第1定律,QH = QC + W,第2定律说没有功就搬不动。真实机器是蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀,一个翻过来的朗肯循环。性能不用效率而用性能系数来量:制冷是 COP = QCW,热泵是 COP = QHW = 制冷 COP + 1,通常大于 1。理论极限是 COP = TC(TH−TC),所以温差越小越好用。至此热力学走完一圈:从系统与状态出发,用功、热和第1定律来数能量,用第2定律、卡诺和熵来定方向和极限,再通过朗肯、奥托、狄塞尔和制冷这些真实循环,看这些想法如何转动世界。
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