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热力学

制冷:把循环倒着转,把热往上搬

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)

把热机倒着转,它就成了制冷机:不再让热从热落到冷以收获功,而是花费功把热从冷推到热。这是热唯一能逆向爬坡的方式,也是每一台冰箱、冷冻柜和热泵的工作原理。

拖动功 W。冷侧的热 QC 只有花费功才能爬到热侧,而热侧收到 QH = QC + W。热本来会自发地从热流向冷,要把它逆着推上去就需要一台泵,而你付出的功 W 会全部变成热,加到热侧上。

在真实的冰箱里,制冷剂绕四个部件循环:在蒸发器里沸腾吸收 QC,被压缩机压高压力,在冷凝器里冷凝放出 QH,再经膨胀阀降压。拖动相位看看——这就是倒转的朗肯循环。制冷剂是沸点很低的流体,所以即使在冰箱内部这样的冷处也会蒸发并吸走热,这和汗液蒸发使皮肤变凉是完全相同的原理。

制冷机不用效率,而用性能系数 COP = QCW 来评价——每单位功搬运的热。它通常大于1,因为搬运的热比花费的功更多。COP 大于1并不是凭空造出能量,机器不是变出热,而只是把已有的热从冷处搬走,所以搬运的热可以多于付出的功,并不违反第一定律。拖动 W 试试。

同一台机器,想让冷侧保持冷就是制冷机(有用的是 QC),想让热侧变暖就是热泵(有用的是 QH)。因为 QH = QC + W,热泵的 COP 总比制冷大1。所以用热泵取暖比电暖器划算得多,电暖器把一份电变成一份热,而热泵从室外空气或地下汲取免费的热,能送出三到四份。切换看看。

带走三点:制冷是把热机倒着转,把热往上搬必须花功(克劳修斯),用 COP 评价,而最大 COP = TC(TH−TC) 随温差减小而增大。至此闭环——从一个状态,到定律,再到运转我们世界的循环。这道温差的威力在家里也看得到,热泵在最冷的日子里、内外温差拉到最大时,运转得最吃力。

实际应用总结一下:制冷机与热泵把热机倒着转,花费功 W 把热从冷搬到热。第一定律给出 QH = QC + W,第二定律(克劳修斯)坚持没有功就办不到。真实机器是蒸气压缩循环——蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀——一个翻转的朗肯循环。性能不用效率,而用性能系数衡量:制冷 COP = QCW,热泵 COP = QHW = 制冷 COP + 1,通常大于1。卡诺极限是 COP = TC(TH−TC),所以温差越小越好用。至此,热力学走完一圈:我们从系统与状态出发,用功、热和第一定律来数能量,用第二定律、卡诺与熵来定方向和极限,最后通过朗肯、奥托、狄塞尔与制冷这些真实循环,看这些原理如何运转我们的世界。
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