热力循环与经济性：制冷系数与供热系数的衡量

功变热和热变功，从本质上说，它们是两种根本不同的转换。功可以自发地转变为热，而热变功却不能自发地进行。热变功的根本途径是依靠工质的膨胀。为了持续不断地将热转换为功，工程上是通过热机来实现的。工质在热机气缸中仅仅完成一个膨胀过程是不能满足要求的。为了能重复地进行膨胀过程，工质在每次膨胀之后必须进行压缩，以便又回到初态。工质从初态出发，经过一系列状态变化又回到初态，这种闭合过程称为“循环”。

含有不可逆过程的循环称为不可逆循环；全部由可逆过程组成的循环称为可逆循环。在状态参数坐标图上，可逆循环用闭合实线表示，不可逆循环中的不可逆过程由虚线表示。循环有正向循环和逆向循环。正向循环都是按顺时针方向进行，工质经历一个循环要对外做出功量，也叫做动力循环，如图2-11上的1—2—3—4—1。逆时针方向进行的循环是逆向循环，工质经历一个循环，要接受外界提供的功量，把热量从低温热源传递到高温热源。如循环的目的是制冷叫做制冷循环；如果用作供热则叫做供热循环（热泵循环）。如图2-11上的1—4—3—2—1。

循环的经济性指标用工作系数来表示，即

工作系数＝收益/代价

热机循环的经济性用循环热效率η1来衡量，即

式中，W是循环对外界做出的功量；Q1是从高温热源吸取的热量。

图2-11 热力循环

制冷循环的经济性用制冷系数ε来衡量，热泵循环的经济性用供热系数εh来衡量，即

式中，Q2是该循环从低温热源吸取的热量；Q1是向高温热源提供的热量；W为消耗的功量。

复习思考题

1.引入热力平衡态解决了热力分析中的什么问题？

2.平衡态与稳态的联系与区别是什么？不受外界影响的稳态是否是平衡态？

3.准静态过程如何处理“平衡状态”又有“状态变化”的矛盾？

4.有人说，不可逆过程是无法恢复到起始状态的过程，这种说法对吗？

5.某工质热力状态保持一定，试问，测定该工质的压力表读数值能否发生变化？为什么？

6.对于运动的热力系，系统的位置与速度是否是它的热力状态参数？

7.试说明下列实际热力设备或装置各属何种系统：

（1）内燃机压缩冲程中的压缩空气；

（2）运行中的蒸汽锅炉；

（3）备用的充有压缩空气的空气瓶中的压缩空气；

（4）包括热源、冷源和功的接受装置在内的整套蒸汽动力装置。

8.温度的热力学定义是什么？仿照温度的热力学定义，试用平衡和系统的概念来表述压力的热力学定义。

9.准静态过程和可逆过程的热力学定义是什么？在热力学中讨论这两个过程有什么重大意义？准静态过程和可逆过程的联系和区别是什么？(www.xing528.com)

10.系统经过一任意过程后，能否不管对外界的影响，而只根据系统的状态来判别该过程是否可逆？为什么？

习题

1.某油船蒸汽锅炉的表压力为1.3MPa，冷凝器的真空度为0.094MPa，当地大气压力为0.1MPa。试求锅炉和冷凝器中的绝对压力各为多少（以MPa表示）？

2.某远洋货船真空造水设备的真空度为0.0917MPa，当地大气压力为0.1013MPa，当航行至另一海域，其真空度变化为0.0874MPa，而当地大气压力变化为0.097MPa。试问该真空造水设备的绝对压力有无变化？

3.某锅炉进风压力表充油的U形管压力表，进风压力读数为30mm油柱液位差（高于当地大气压力），如当地大气压力为0.1MPa，而油的密度为850kg/m3，试求进风表压力和绝对压力各为多少（以MPa表示）？

4.牛顿温标，用符号°N表示其温度单位，并规定水的冰点和沸点分别为100°N和200°N，且线性分布。

（1）试求牛顿温标与国际单位制中的热力学绝对温标（开尔文温标）的换算关系式；

（2）绝对零度为牛顿温标上的多少度？

5.判断下列过程中哪些是不可逆的，并扼要说明不可逆的原因。

（1）在大气压力为0.1013MPa时，将两块0℃的冰互相缓慢摩擦，使之化为0℃的水。

（2）在大气压力为0.1013MPa时，用（0＋dt）℃的热源（dt→0）给0℃的冰加热使之变为0℃的水。

（3）对刚性容器中的水加热，使其在恒温下蒸发。

（4）对刚性容器中的水搅拌，使其在恒温下蒸发。

（5）一定质量的空气在不导热的气缸中被活塞缓慢地压缩（不计摩擦）。

（6）100℃的水和15℃的水混合。

6.现有一如图2-12所示装置，通过一重物m下A中的流体通过透热壁与容器B中的冰-水混合物发降，转动容器A中的搅拌轮，搅拌其中的流体。容器生热接触。容器B的外壁是绝热的。分析时，若要使所取系统与外界的相互作用为：

图2-12 习题6用图

（1）无热交换作用；（2）无功交换作用；（3）既无热交换又无功交换作用；（4）既有热交换又有功交换作用。应分别取什么为系统？

7.在分析压缩机的气体压缩问题时，若取气缸、活塞和气缸中气体为系统（图2-13），则在描述该系统的平衡状态时有何不便？为什么？

图2-13 习题7用图

8.如图2-14所示的一圆筒容器，表A的读数为360 kPa；表B读数为170kPa，表示室Ⅰ压力高于室Ⅱ的压力。大气压力为760mmHg。试求（1）真空室以及Ⅰ室和Ⅱ室的绝对压力；（2）表C的读数；（3）圆筒顶面所受的作用力。

图2-14 习题8用图