4.2　低溫制冷技術基礎概念

（1）溫度

溫度是度量物體冷熱程度的量，是物體內分子熱運動平均動能的表現。溫度的度量有不同的溫標，常用溫標有國際溫標（即熱力學溫度）、攝氏溫標（攝氏溫度）和華氏溫標。國際溫標也稱開爾文，為紀念W.T.L.Kelvin而命名，簡稱開氏溫標，常以符號T表示，單位為K；攝氏溫標，常以符號t表示，單位℃，為紀念A.Celsius而命名。華氏溫標在歐洲使用，國內不常用。

開氏溫標和攝氏溫標之間關系：

（4-1）

式中　T——開氏溫標，K；

        t——攝氏溫標，℃；

（2）表壓與絕對壓力

制冷技術中所測量的壓力是介質壓強與大氣壓之間的差值，壓力表指示壓力與絕對壓力的關系：

（4-2）

式中　p絕——實際壓力，MPa；

        p表——壓力表指示壓力，MPa。

（3）比容與密度

比容：單位質量物質占有的容積，稱為比容。即υ=V/m，單位為m3/kg；

密度：單位容積物質所具有的質量，稱為密度。即ρ=m/V，單位為kg/m3。

（4）熱量

熱量：表示物體吸熱和放熱多少的物理量，稱為熱量。

以Q表示，單位kcal、kJ。

（5）比熱容及熱容量

比熱容：單位質量的物質，溫度升高或降低1度（1K或1℃）所吸收或放出的熱量，單位kJ/（kg·K）或kcal/（kg·K）。

氣體比熱容分兩種：定容比熱容，以CV表示；

定壓比熱容，以Cp表示。

定容比熱容：1m3（標準狀態）氣體[0℃，壓力為標準大氣壓（101325Pa）]，當氣體每升高或降低1K時，所吸收或放出的熱量，單位kJ/（m3·K）。

定壓比熱容：質量為1kg的氣體，在壓力保持不變的條件下，升高或降低1K時，吸收或放出的熱量，單位kJ/（kg·K）。

熱容量：物體溫度升高或降低1度（1K或1℃）所吸收或放出的熱量。以q表示，單位kJ或kcal。

熱容量計算公式如下：

（4-3）

（6）汽化與凝結

汽化：液態物質吸熱后，由液態變成氣態的過程稱為汽化。

汽化有兩種形式：蒸發與沸騰。蒸發是液體表面汽化的過程，沸騰是液體表面及內部同時汽化的過程。

蒸發與沸騰均是液體吸熱變成氣態的汽化過程，兩者本質相同，但又有差異，蒸發可以在任意溫度下進行，而沸騰只能在一定溫度下進行，液體在某一壓力下沸騰，沸騰時的溫度即為該壓力下的飽和溫度（在大氣壓下的飽和溫度稱為沸點）。

凝結：蒸氣在一定壓力下冷卻，放出熱量變成液體的過程。

（7）飽和溫度和飽和壓力

某種液體在密閉容器中，溫度保持不變，容器中液體蒸發產生的壓力亦保持不變，此時蒸氣達到了飽和狀態。在飽和狀態下，蒸發仍在進行，只是蒸發出的分子與返回液面的分子達到了動態平衡。

此時，液體稱為飽和液體，蒸氣稱為飽和蒸氣。此時液體的溫度叫作飽和溫度，壓力稱為此溫度下的飽和壓力或飽和蒸氣壓。

如：水在一標準大氣壓下，飽和溫度是100℃；

氨在一標準大氣壓下，飽和溫度是-33.4℃；

氟利昂R12在一標準大氣壓下，飽和溫度是-29.8℃。

（8）過熱蒸氣

具有一定壓力和溫度的蒸氣，當其溫度高于其壓力所對應的飽和溫度時，稱該蒸氣為過熱蒸氣。

（9）過冷液體

具有一定壓力和溫度的液體，當其溫度低于其壓力所對應的飽和溫度時，稱該液體為過冷液體。

如在一標準大氣壓下、低于100℃的水，就是過冷液體。

（10）汽化潛熱及凝結熱

在飽和狀態下，單位質量液體全部汽化為同溫度的蒸氣時，所吸收的熱量稱為液體的汽化潛熱，通常以r表示，單位為kJ/kg。例如，在大氣壓下1kg液氨汽化時要吸收1370kJ的熱量，則氨的汽化潛熱為1370kJ/kg；1kg氟利昂R12汽化時要吸收167.5kJ的熱量，則R12的汽化潛熱為167.5kJ/kg。

凝結是汽化的相反過程，蒸氣凝結為同溫的液體所放出的熱量，稱為凝結熱，凝結熱與潛熱在量值上相等。

制冷技術中，均是利用液體汽化潛熱來制冷，制冷劑蒸發時需要大量的熱量，此熱量來自于同周圍物質換熱，使其降溫。

（11）焓

焓表征工質在不同狀態下所具有的能量，是描述工質對外做功能力的參數；一般用H表示，單位為J。

（4-4）

式中　U——工質內能；

        p——工質壓力；

        V——工質體積。

（12）熵

熵是一個熱力學狀態參數，它從熱力學理論的數學分析中得出，以數學式給以定義，即

（4-5）

式中　dq——1kg工質自外界吸入的熱量；

        T——傳熱時工質的熱力學溫度；

        ds——即此微元過程中1千克工質熵的變量。

（13）壓焓圖

壓力（p）和焓（h）都是獨立的狀態參數，兩個參數可以一起組成p-h平面坐標圖。在壓焓坐標圖（簡稱壓焓圖）上，工質的任一平衡態可用一點表示，任意一準平衡過程可用一連續曲線p=f（h）表示，如圖4-1所示。

在制冷循環計算中廣泛采用壓焓圖（p-h圖或lgp-h圖），它的橫坐標表示焓值，縱坐標表示壓力或其對數值。

在壓焓圖上除了飽和曲線外，還繪有制冷工質的等溫線、等熵線、等容線及等干度線等。采用壓焓圖來表示蒸氣制冷機循環十分方便，這是因為在壓焓圖上蒸發過程、冷卻冷凝過程以及節流過程都可用直線表示，而且循環的單位容積制冷量qV，單位功w0以及單位冷凝放熱量qk都可用平行于坐標橫軸的線段長度來表示。

（14）溫熵圖

溫度（T）和熵（s）都是獨立的狀態參數，兩個參數可以一起組成T-s平面坐標圖。在溫熵坐標圖（簡稱溫熵圖）上，工質的任一平衡態可用一點表示，任意一準平衡過程可用一連續曲線T=f（s）表示，與壓焓圖類似，如圖4-2所示。

在T-s圖中，過程曲線下的面積代表可逆過程中工質吸收或放出的熱量。