制冷與空調(diào)設(shè)備安裝修理作業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)
物態(tài)變化與基本參數(shù)
一、物質(zhì)與工質(zhì)、壓力、溫度
制冷與空調(diào)技術(shù)是應(yīng)用熱力學(xué)理論和制冷循環(huán)原理，通過制與空調(diào)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換與傳遞。熱力學(xué)是研究熱能與其他量相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的科學(xué)。所以，了解和掌握熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)確理解制冷與空調(diào)設(shè)備的工作原理很有幫助。通過學(xué)習(xí)熱力學(xué)基知識(shí)，可以更深刻地理解制冷與空調(diào)設(shè)備安全運(yùn)行與操作的重要義，并能夠根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)和用途，采取正確的安全維護(hù)方法和安全修理技術(shù)。
空調(diào)制冷作業(yè)證報(bào)考咨詢：18206863120（微信同號(hào)）
1.物質(zhì)與物態(tài)變化
物質(zhì)是一個(gè)科學(xué)上沒有明確定義的詞一般是指靜止質(zhì)量不為的東西。物質(zhì)也常用來泛稱所有組成可觀測物體的成分。自然界中物質(zhì)是由分子或原子組成的。分子或原子都以不同的形式不停地運(yùn)著，它們之間存在或強(qiáng)或弱的相互作用。在通常情況下，物質(zhì)有三種物態(tài)，即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。
(1)固態(tài)
固態(tài)的特征是有固定的體積和形狀，分子間的距離最小，相互的引力大，分子只能在自己的平衡位置作振幅很小的振動(dòng)，而不能互移動(dòng)。對(duì)于晶體來說，分子(或原子或離子)之間保持距離有序的周期性排列，因此具有一定的形狀和力學(xué)強(qiáng)度。
(2)液態(tài)
液體有一定的體積，具有流動(dòng)性而無固定的形狀，分子可在其衡位置做振幅較大的振動(dòng)，分子之間保持短程有序的“相對(duì)穩(wěn)定”的排列，基本上不可壓縮。
(3)氣態(tài)
氣體沒有固定的形狀，也沒有固定的體積，將充滿其容器。在有容器的情況下，分子向四面八方擴(kuò)散。氣體分子間距離大而無定值相互間的引力小而不能相互約束，不停地進(jìn)行著毫無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，可以無限膨脹，也可以大大壓縮。關(guān)于分子氣體，人們有一些假設(shè)其中之一是每個(gè)分子運(yùn)動(dòng)速度各不相同，而且通過分子與分子或分子與器壁碰撞不斷發(fā)生變化。
2.制冷工質(zhì)與制冷系統(tǒng)
在制冷技術(shù)中，能夠?qū)崿F(xiàn)能量轉(zhuǎn)化或能量傳遞的工作介質(zhì)叫做質(zhì)，供給工質(zhì)熱量的高溫物質(zhì)叫做高溫?zé)嵩矗晃展べ|(zhì)所放出的熱的冷卻介質(zhì)或周圍環(huán)境叫做低溫?zé)嵩�。制冷系統(tǒng)是工作于兩個(gè)不同源之間的一種系統(tǒng)。制冷劑是制冷系統(tǒng)中使用的制冷介質(zhì)，或稱制冷工質(zhì)。
工質(zhì)應(yīng)具有可壓縮性和流動(dòng)性，能夠在密閉的系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)通過自身熱力狀態(tài)的變化與外界發(fā)生熱能的交換。各種氣體、蒸氣其液體都是工程上常用的工質(zhì)。制冷系統(tǒng)的最優(yōu)工質(zhì)物質(zhì)，應(yīng)根據(jù)冷與空調(diào)的目的和具體制冷設(shè)備的結(jié)構(gòu)來選定。蒸氣壓縮式制冷系中常用的工質(zhì)，主要有氨和氟利昂等。在吸收式制冷系統(tǒng)中，則經(jīng)常使用兩種組分混合而成的工質(zhì)，稱為工質(zhì)對(duì)。
3.壓力
(1)壓力(壓強(qiáng))
地球上的物體在地心引力作用下都具有垂直向下的重力，物體重力作用在其他物體上就會(huì)對(duì)它產(chǎn)生一定的壓力。當(dāng)氣體分子充裝一個(gè)密閉空間里時(shí)，氣體分子在不停地運(yùn)動(dòng)，不斷地與容器器壁發(fā)碰撞，這種碰撞也形成了對(duì)器壁的壓力，這個(gè)壓力的方向總是垂直于容器的內(nèi)表面。容器承受總壓力的大小由受力面積而定，也與物質(zhì)的溫度、密度等狀態(tài)參數(shù)有關(guān)。
單位面積上所承受的垂直作用力，制冷工程中稱為壓力，而物學(xué)中則稱為壓強(qiáng)。本書中所說的壓力是氣體或液體的壓強(qiáng)的混稱，所謂的壓力數(shù)值實(shí)際上是指壓強(qiáng)的大小。
在一個(gè)密閉容器里，由于容器內(nèi)氣體分子運(yùn)動(dòng)在容器表面受到力的作用，則壓強(qiáng)公式如下所示：
p = F/A
式中 p——壓強(qiáng)Pa;
F——垂直作用在面積上的壓力N;
A——總壓力的作用面積m2。
(2)壓力的單位
1)大氣壓�？諝夥肿右灿幸欢ǖ馁|(zhì)量，空氣分子不停地運(yùn)動(dòng)，斷地與物體表面發(fā)生碰撞，這就產(chǎn)生了壓力。地球表面的空氣層對(duì)面產(chǎn)生的壓力稱為大氣壓力，簡稱大氣壓。大氣壓的大小與地面位置高度、季節(jié)、氣象條件有關(guān)，所以曾規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)大氣(atm)標(biāo)大氣壓指的是在地球緯度45°處海平面，溫度為0℃時(shí)所測得的大氣平均壓力。其值為1.013×10Pa但是，這是應(yīng)廢止的單位。
2)壓力單位。力的量的符號(hào)為F它的法定計(jì)量單位為牛(頓(N)面積的量的符號(hào)S)它的法定計(jì)量單位為平方(m2)壓力的量的符號(hào)為p它的法定計(jì)量單位為帕[斯卡],用符號(hào)Pa表示。
1Pa = N/m2
在工程實(shí)際應(yīng)用中P的單位太小，因此常使用千(kPa或兆(MPa)。
1MPa=103kPa=10⁶Pa
所以1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓可認(rèn)為等于0.MPa即
1atm=0.1 MPa
制冷與空調(diào)工程中，有時(shí)也沿用kgf/cm2表示1工程大氣壓，則
1kgf/cm2=0.098MPa
在采暖通風(fēng)空調(diào)技術(shù)中，壓力有時(shí)也用液柱高度表示，若液柱高度為h,液體的密度為ρ,容器底面積為S,液體作用在容器底面的總壓力為
F = hpSg
則壓力(壓強(qiáng)：
p = F/S=hpg
上式表明，某種液體的密度為常數(shù)，所以液柱的高度就與一的壓力相對(duì)應(yīng)，而與容器的底面積大小無關(guān)，壓力的大小完全可以用液柱高度來表示。常用的液體有水和水銀，相應(yīng)的壓力單位為約定毫米水(mmH₂O 和約定毫米汞(mmHg)。
1mmH₂O = 9.81Pa
1mmHg = 133.3Pa
應(yīng)該注意，表2中的后4個(gè)單位是應(yīng)廢止的單位。應(yīng)廢止的位還有(bar)(Torr和工程大氣(at)但巴在國際上暫時(shí)還允許使用。
(3)幾種常用壓力
1)絕對(duì)壓力。絕對(duì)壓力是以零壓強(qiáng)為參考測出的壓力，反映容中的氣體或液體對(duì)容器的實(shí)際壓力。熱力學(xué)計(jì)算中所用到的壓力均為絕對(duì)壓力。
2)相對(duì)壓力。也稱表壓力，即由壓力表測出來的壓力，它表示器中流體的壓力比大氣壓高出的數(shù)值。相對(duì)壓力與大氣壓力之和即為絕對(duì)壓力。
3)真空度。低于大氣壓的氣體狀態(tài)稱為“真空”。真空系統(tǒng)的強(qiáng)稱真空度一般可由真空計(jì)測出。把氣體分子從容器排出而獲得真空的過程稱為抽真空。
在制冷與空調(diào)技術(shù)中，經(jīng)常要涉及以上三種壓力。絕對(duì)壓力多設(shè)備內(nèi)部的真實(shí)壓力，制冷技術(shù)方面的有關(guān)圖表上所標(biāo)注的壓力一般為絕對(duì)壓力。
4.溫度和溫標(biāo)
(1)溫度
溫度是表示物質(zhì)冷熱程度的物理量。理論上講只要高-273.15℃,無論處于何種狀態(tài)，物質(zhì)內(nèi)的分子運(yùn)動(dòng)都不會(huì)停止。子運(yùn)動(dòng)的快慢直接影響分子平均動(dòng)能的大小，分子平均動(dòng)能越大，質(zhì)的溫度越高；分子平均動(dòng)能越小，物質(zhì)的溫度越低。即分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能值決定了物質(zhì)的溫度高低，它反映了物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。
(2)溫標(biāo)
物體溫度是可以測量的。為了定量地測量溫度，需要規(guī)定溫度數(shù)值表示方法，即溫標(biāo)。在制冷與空調(diào)技術(shù)中，常用的溫標(biāo)有攝氏(t)華氏溫(F)熱力學(xué)溫(T)它們的單位分別是攝氏度℃、華氏度FK。
1)攝氏溫度。規(guī)定在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1.013×10Pa 下，凈水的冰點(diǎn)為0℃,沸點(diǎn)為100℃,在這兩點(diǎn)之間分成100等份，每等份為1℃,記作1℃。以攝氏溫度為刻度的溫度計(jì)稱為攝氏溫度計(jì)。攝氏溫度使用方便，易讀易算，是我國法定計(jì)量單位。
2)華氏溫度。規(guī)定在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純凈水的冰點(diǎn)為32F 沸點(diǎn)為212F在這兩點(diǎn)之間分成180等份，每一等份為華氏1度，1F以華氏溫度為刻度的溫度計(jì)稱為華氏溫度計(jì)。華氏溫度分度細(xì)，準(zhǔn)確性高，但使用不方便。
3)熱力學(xué)溫度。又曾稱絕對(duì)溫度。它是熱力學(xué)溫標(biāo)指示的溫度在該溫標(biāo)中，規(guī)定水的三相點(diǎn)溫度為27K標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸點(diǎn)為37K在兩點(diǎn)之間分成100等份，每一等份為即熱力學(xué)溫度1度。在熱力學(xué)中規(guī)定，當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部的分子運(yùn)動(dòng)停止時(shí)，其絕對(duì)溫度為零度，T=0 K熱力學(xué)理論表明，熱力學(xué)零度是不能達(dá)到的。熱力學(xué)溫度多用于理論研究和理論計(jì)算。
按照規(guī)定，當(dāng)溫度值在零度以上時(shí)，溫度數(shù)值為正值，數(shù)值前面加“+”號(hào)，“+”號(hào)可以省略；當(dāng)溫度值在零度以下時(shí)，溫度值為負(fù)值，數(shù)值前面加“”號(hào)，“”號(hào)不可省略。
(3)三種溫標(biāo)換算
我國在制冷與空調(diào)技術(shù)中，經(jīng)常使用攝氏溫度和熱力學(xué)溫度。些進(jìn)口設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)中使用華氏溫度。
把華氏溫度換算成攝氏溫度，由下式計(jì)算：
t=1.8×(F-32)
式中 t——攝氏溫度；
F——華氏溫度。
把攝氏溫度換算成華氏溫度，按下式計(jì)算：
F=1.8t+32
式中 F——華氏溫度；
t———攝氏溫度。
攝氏溫度與熱力學(xué)溫度的關(guān)系式如下：
T=t+273 或 t=T-273
式中 T——絕對(duì)溫度；
t——攝氏溫度。
測量物體溫度的儀器叫溫度計(jì)。溫度計(jì)種類很多，制冷與空調(diào)技術(shù)中常用的有熱電偶溫度計(jì)、電接點(diǎn)式溫度計(jì)、半導(dǎo)體溫度計(jì)、數(shù)字溫度計(jì)等：它們大都以攝氏溫標(biāo)為計(jì)量單位。
(4)幾種常用溫度
1)室溫：通常表示居住生活場所的正常溫度。在制冷與空調(diào)工程中，它表示被操作調(diào)節(jié)的空間溫度，如冷藏間或空調(diào)室等的溫度。
2)露點(diǎn)溫度：表示在一定濕度和壓力下，濕空氣中所含的水蒸氣開始受結(jié)時(shí)的溫度。此時(shí)的相對(duì)濕度為100%。
3)干球溫度：在修正了熱輻射影響之后，由準(zhǔn)確的溫度計(jì)指示的氣體或氣體混合物的溫度。
4)濕球溫度：當(dāng)水蒸發(fā)或冰升華成水蒸氣至空氣中，使空氣在同的溫度下筆熱地處于飽和狀態(tài)時(shí)的溫度一般可用濕球溫度計(jì)測得，濕球溫度要比干球溫度低。
5)臨界溫度。與物質(zhì)的臨界狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的飽和溫度。在臨界狀態(tài)下，液體和氣體具有相同的特性。
6)三相點(diǎn)：在單一物質(zhì)系統(tǒng)中，氣、液、固三相平衡共存時(shí)的溫度。
二、物質(zhì)狀態(tài)變化、熱能、熱量與比熱
1.物質(zhì)狀態(tài)變化
物質(zhì)形或何種物態(tài)，是由分子間作用力大小和分子熱運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)來決定的。在緩慢升溫過程中，每當(dāng)某種相互作用的特征能量不足抗衡執(zhí)運(yùn)動(dòng)能的破壞時(shí)，物質(zhì)的宏觀狀態(tài)就可能發(fā)生變化，從而出一種新的物態(tài)：在一定的成分下，當(dāng)溫度變化時(shí)，物質(zhì)所發(fā)生的從種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為物態(tài)轉(zhuǎn)變。
以水為例：水隨著外部條件溫度、壓力的變化，其物態(tài)也相應(yīng)發(fā)生變化。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，當(dāng)水被加熱到100℃時(shí)會(huì)逐漸變成氣態(tài)，即水蒸氣，而水被冷卻到0℃時(shí)會(huì)逐漸變成固態(tài)，即冰。反之，固態(tài)冰吸收熱量，溫度高于0℃時(shí)會(huì)全部變成液態(tài)，即水。水蒸氣放出熱量，溫度低于100℃時(shí)會(huì)全部變成液態(tài)，即水。物態(tài)變換過程中主要體現(xiàn)熱量的交換以及溫度的變化。
物質(zhì)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的過程稱為熔解，如冰融化成水。熔解的過程稱為凝固，即液態(tài)物質(zhì)變?yōu)楣虘B(tài)物質(zhì)。物質(zhì)在熔解和凝固過程伴隨著吸熱、放熱，但溫度不發(fā)生變化。物質(zhì)熔解或凝固時(shí)的溫度稱為該物質(zhì)的熔點(diǎn)或凝固點(diǎn)。
物質(zhì)由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的過程稱為液化，如水蒸氣液化成水。液的逆過程稱為汽化。汽化有兩種不同的方式一種是液體內(nèi)部和表同時(shí)汽化的現(xiàn)象，稱為沸騰；另一種是在液體表面產(chǎn)生的汽化現(xiàn)象稱為蒸發(fā)。制冷技術(shù)中使用的“蒸發(fā)”一詞，是蒸發(fā)和沸騰兩種汽化現(xiàn)象的統(tǒng)稱。
固態(tài)物質(zhì)不經(jīng)過液化而直接變?yōu)闅怏w的過程稱為升華，如干冰(固體CO₂ 變?yōu)镃O 氣體的過程。升華的逆過程稱為凝華。
物質(zhì)三態(tài)相互轉(zhuǎn)化，特別是液態(tài)、氣態(tài)相互轉(zhuǎn)化，對(duì)制冷技術(shù)著重要意義。制冷技術(shù)是利用制冷劑物質(zhì)的液態(tài)一氣態(tài)—液態(tài)變化實(shí)現(xiàn)熱量從低溫環(huán)境向高溫環(huán)境的轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到采用人工的方法調(diào)節(jié)并保持一定的溫度的目的。
2.熱量及其基本參數(shù)
(1)熱能與熱量
許多宏觀物體是由大量分子組成的。分子不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)和分之間的相互作用，構(gòu)成了物體分子的動(dòng)能和勢能。物體的分子的動(dòng)和分子相互作用引起的勢能的總和叫做物體的內(nèi)能，也稱作物體的熱能。
熱量是能量的一種形式，是由分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，微觀體現(xiàn)為物體內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，物體內(nèi)分子平均動(dòng)能越大，物體溫度越高；反之，物體溫度越低。物體受壓力、日光照射、通電化學(xué)作用或燃燒等，均可使分子運(yùn)動(dòng)加劇，在宏觀上則表現(xiàn)出物體度的升高，即物體從外界吸收熱量，自身熱能增加，物體溫度升高；反之，物體向外界放出熱量，自身熱能減少，溫度降低。
熱量與其他形式的能量可以相互轉(zhuǎn)換，如電能轉(zhuǎn)換成熱能，能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能等。熱與功也可以相互轉(zhuǎn)換一定量的熱消失時(shí)必然產(chǎn)生一定量的功，消耗一定量的功也必然產(chǎn)生與其相應(yīng)的一定量的熱。
熱量是通過兩個(gè)存在溫差的物體而傳遞的能量，并且從高溫物傳遞給低溫物體，是表示物體吸收或放出多少熱的物理量，所以熱只有在熱能轉(zhuǎn)移過程中才有意義。制冷與空調(diào)技術(shù)就是研究和利用熱能的轉(zhuǎn)移過程及其量的關(guān)系的科學(xué)。
熱量的單位主要有國際單位、公制工程單位、英熱單位。國際位是焦(耳(J)這也是我國國家法定計(jì)量單位。其物理含義：1N的力使物體在力的方向上發(fā)生1m位移所做的功為1J。
熱量的公制工程單位用(cal)大(kcal表示。其物理義是1g純水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下，溫度升高或下降1℃所需吸收或放的熱量為cal。這種單位是已廢止的單位，但在實(shí)際工作中還會(huì)遇到，故予以介紹。
英國、美國常采用Btu作為熱量的單位，Btu為英制熱單位其物理含義為1磅純水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度升高或下降1°F 所吸收或放出的熱量為1Btu這也是已廢止的單位，但在實(shí)際工作中還會(huì)遇到，故予以介紹。
(2)比熱容
物體的溫度發(fā)生一定量變化時(shí)，物體所吸收或放出的熱量，不與其自身性質(zhì)有關(guān)，而且還與物體的質(zhì)量有關(guān)。相同性質(zhì)組成的物質(zhì)量不同，它們升高或降低1℃時(shí)所吸收或放出的熱量是不同的。樣，相同質(zhì)量而由不同性質(zhì)組成的物體升高或降低1℃所吸收或放的熱量也是不同的。這是因?yàn)楦鞣N物質(zhì)的比熱容是不同的。把單位質(zhì)量的某種物質(zhì)升高或降低1℃所吸收或放出的熱量，稱為這種物質(zhì)的比熱容或質(zhì)量熱容，單位是J/(k℃)。
制冷工程中，在溫度變化范圍不太大，或者計(jì)算要求不太精的場合，往往把比熱容取為定值。例如，將水的比熱容取為4.18 J/(k℃)冰的比熱容取為2.09J/(kg▪℃)。
物體溫度的變化將伴隨著熱量的轉(zhuǎn)移，即得到熱量或放出熱量得到或放出熱量的數(shù)值與該物質(zhì)的質(zhì)量熱容、質(zhì)量及溫度變化值成正比。計(jì)算式如下：
Q=cm(t₂-t₁)
式中 Q——熱量，J;
c——物質(zhì)質(zhì)量熱容J/(kg▪℃);
m——物質(zhì)的質(zhì)量kg;
t——物體初始溫度，℃;
t₂——物體終止溫度，℃。
(3)顯熱與潛熱
物質(zhì)在吸收或放出熱量時(shí)，根據(jù)該物質(zhì)溫度是否變化，把它吸收或放出的熱分為顯熱和潛熱。
1)顯熱。物質(zhì)在被冷卻或加熱過程中，物質(zhì)本身不發(fā)生狀變化，只是其溫度降低或升高，在這一過程中物質(zhì)放出或吸收熱量稱為顯熱。顯熱可用溫度計(jì)來測量，也能使人們感覺到熱這種熱又稱為可感熱。例如，把一塊鐵放在火爐上加熱，鐵塊斷吸收熱量，溫度逐漸升高，在鐵塊熔化成鐵液之前，其形態(tài)終是固體，而溫度是可以測量出來的，這時(shí)鐵塊所吸收的熱稱固體顯熱。如果把一壺水放在火爐上加熱，水不斷吸收熱量，度隨著不斷升高，當(dāng)水的溫度未達(dá)到100℃時(shí)，其形態(tài)仍然為液水，它所吸收的熱量(如果把蒸發(fā)忽略)稱為液體顯熱。如果氣體密閉在一個(gè)容器內(nèi)，從外界繼續(xù)加熱，則氣體的溫度不斷升，但氣體仍然為氣體，此時(shí)吸收的熱(如果未發(fā)生裂解或其他反應(yīng))則為氣體顯熱。
2)潛熱。物質(zhì)在被冷卻或加熱過程中，物質(zhì)本身只是狀態(tài)發(fā)生化，而溫度不發(fā)生變化，如物質(zhì)由液態(tài)變成氣態(tài)、液態(tài)變成固態(tài)，在這一過程中物質(zhì)吸收或放出的熱稱為潛熱。它無法用溫度計(jì)測量，但可以計(jì)算出來。例如，對(duì)0℃的冰加熱，在冰完全融化成水之前，逐漸由固體變?yōu)楸旌衔�，這時(shí)，冰所吸收的熱稱為熔解潛熱。一杯水放入冷凍室，當(dāng)水溫降至0℃以后，杯內(nèi)水開始凝固成冰，管水仍將向四周散熱，但此時(shí)杯內(nèi)冰水的溫度仍為0℃,只是杯內(nèi)在增多，而水在減少。水在結(jié)冰過程中向外放出的熱稱為凝固熱。體在沸點(diǎn)汽化時(shí)所吸收的熱量叫汽化熱。對(duì)100℃的水繼續(xù)加熱，便開始沸騰，水急劇轉(zhuǎn)化為氣體，而水的溫度沒有改變，這個(gè)過程單位質(zhì)量的水所吸收的熱稱為它的汽化熱。所生成的水蒸氣在液化時(shí)，也將放出同樣的熱。
在蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)中，利用制冷劑在蒸發(fā)器的低壓狀態(tài)下液態(tài)變成氣態(tài)時(shí)吸收大量汽化熱；在冷凝器的高壓狀態(tài)下由氣態(tài)變液態(tài)時(shí)向外部環(huán)境放出大量液化熱，通過制冷劑在制冷系統(tǒng)中的循環(huán)達(dá)到制冷目的。
三、熱傳遞的基本方式
熱是一種能量，在沒有外力的作用下，熱總是從溫度高的物體到溫度低的物體。把兩個(gè)溫度高低不同的物體放在一起(接觸或相靠近),它們各自的溫度將發(fā)生變化：較熱的降溫，較冷的升溫。這個(gè)過程實(shí)際上是熱能的傳遞，即內(nèi)部分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)劇烈的物體把一部分熱能傳遞給這種運(yùn)動(dòng)較不劇烈的物體。無論物質(zhì)處于三態(tài)中的何狀態(tài)，只要它們之間存在溫差，并且它們之間不存在絕熱介質(zhì)，那就必然存在熱量的傳遞過程。不僅如此，熱能傳遞也可以在同一物冷熱程度不同的部分間發(fā)生。熱傳遞是一個(gè)十分復(fù)雜的過程。在制與空調(diào)技術(shù)中，制冷與空調(diào)空間熱負(fù)荷的確定，熱(冷)媒輸送管的隔熱保溫，制冷設(shè)備的設(shè)計(jì)、選型和性能評(píng)價(jià)，都涉及依據(jù)熱傳遞規(guī)律進(jìn)行的分析和計(jì)算。
熱傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、對(duì)流與輻射。在實(shí)際的傳熱程中，這三種熱傳遞方式往往同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)然也存在只有一種方式傳熱的情況。
1.熱傳導(dǎo)
熱量由物體內(nèi)部的某一部分傳遞到另一部分，或者是兩個(gè)不同度的物體互相接觸，熱量由溫度高的物體傳遞給溫度低的物體，在 樣的傳熱過程中，物體各部分物質(zhì)并未移動(dòng)，這種熱傳遞的形式叫傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)是依靠物質(zhì)的分子、原子或自由電子等微觀粒子的熱動(dòng)傳遞熱量的。在純熱傳導(dǎo)過程中，物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，也沒有能量形式的轉(zhuǎn)換。
在制冷與空調(diào)技術(shù)中，冷庫墻體內(nèi)熱量傳遞、制冷管道壁內(nèi)的熱量傳遞均是熱傳導(dǎo)。
用一瓷碗和一鋁飯盒同時(shí)盛滿很熱的湯，瓷碗可以很順利地用端走，而鋁飯盒因?yàn)楹軣岵荒苤苯佑檬秩ザ�。這是因?yàn)槲镔|(zhì)的材料同，其導(dǎo)熱能力也不同。容易導(dǎo)熱的物質(zhì)稱為熱的良導(dǎo)體，如銀、銅鋁、鐵等金屬；不容易導(dǎo)熱的物體稱為絕熱材料，如棉、毛、泡沫料、軟木和空氣等。為了表明物質(zhì)材料導(dǎo)熱的能力，引入熱導(dǎo)率這物理量。在穩(wěn)定的條件下，面積為m2厚度為m兩側(cè)平面的溫度差為1℃時(shí)，在1的時(shí)間內(nèi)，由一側(cè)面?zhèn)鬟f到另一側(cè)面的熱量，稱作該種物質(zhì)的熱導(dǎo)率，單位W/(·K) 用符號(hào)表示。熱導(dǎo)率大表明其熱傳導(dǎo)能力強(qiáng)。傳熱量可根據(jù)不同工況下的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。
對(duì)于單層平壁導(dǎo)熱，其傳熱與平壁材料的熱導(dǎo)率、平壁兩側(cè)之間的溫差、平壁面積和傳熱時(shí)間成正比，與平壁的厚度成反比。如圖2-4所示。其傳熱量計(jì)算公式如下：
Q=kSt(T₁-T₂)/δ
式中 Q——傳熱量J;
K——材料的熱導(dǎo)率W/(m·K);
S——平壁面積m2;
t——傳熱時(shí)間,s;
T1、T2平壁兩側(cè)表面溫度K;
δ-—平壁厚度m。
在制冷與空調(diào)實(shí)際應(yīng)用中，冰箱的箱體、冷庫的圍護(hù)結(jié)構(gòu)常采導(dǎo)熱能力差的物質(zhì)，如泡沫塑料、巖棉、硅藻土、玻璃纖維等作隔保溫材料，以減少冷量損失。而熱交換設(shè)備，如蒸發(fā)器、冷凝器則用導(dǎo)熱能力強(qiáng)的物質(zhì)，如銅、鋁、鋼等，提高傳熱效率，增加熱傳導(dǎo)量。
2.對(duì)流
對(duì)流是指流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)所引起的熱量傳遞。氣體或液體中，由于存在溫度差、密度差和壓力差，分子的流動(dòng)產(chǎn)了熱量的傳遞。對(duì)流僅能發(fā)生在流體中，而且必然伴隨著熱現(xiàn)象。體的熱物性和運(yùn)動(dòng)情況，固體壁面的形狀、大小和放置方式等，對(duì)流換熱均有影響。熱交換發(fā)生在流體與固體表面之間，熱傳導(dǎo)與對(duì)同時(shí)存在，這種情況稱為對(duì)流換熱。對(duì)流換熱是熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)兩種作用的結(jié)果。
對(duì)流分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩大類：自然對(duì)流是由于流體各分溫度、密度的不同而引起的流動(dòng)，如冰箱后背冷凝器表面附近的氣受熱向上流動(dòng)。強(qiáng)制對(duì)流是依靠風(fēng)機(jī)、水泵或其他強(qiáng)制方法維持流動(dòng)，如空調(diào)器室外機(jī)、室內(nèi)機(jī)對(duì)流換熱、冷凝器管內(nèi)冷卻水的流動(dòng)等。
對(duì)流換熱的換熱量Q與流體所接觸固體壁面的面積成正比，與流體和固體壁面的溫度差成正比。對(duì)流換熱的強(qiáng)弱程度，通常以換熱系數(shù)α表征，α的單位W/(m2·K)影響換熱系數(shù)大小的主要因素有流體的流動(dòng)速度、流體的性質(zhì)(質(zhì)量熱容、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)等)、固體壁面的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸大小等。正是因?yàn)橛绊懸蛩囟喽鴱?fù)雜，所以至今無法得到對(duì)流換熱系數(shù)α的理論解。目前使用的一些有關(guān)換熱系數(shù)α的計(jì)算公式，都是由理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合整理而得出的。
對(duì)流換熱的換熱量由下式計(jì)算：
Q=aSt(T₁-T₂)
式中 Q——換熱量J;
α——換熱系數(shù)W/(m2·K);
S——流體與固體接觸面積m2;
t———換熱時(shí)間，s;
T1、T₂——流體與固體表面溫度K。
熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱的計(jì)算式中，都表明換熱溫(T1-T₂ 越大則換熱量越大。但這并不說明通過提高冷凝溫度，增大與冷卻介質(zhì) 溫度差，就可以提高制冷設(shè)備的制冷能力。因?yàn)樘岣呃淠郎囟葧?huì)給 縮機(jī)、制冷系統(tǒng)帶來很多不利因素而適得其反，但是保證一定的換熱溫差是制冷循環(huán)所必需的。
3.熱輻射
熱輻射是物體由于自身溫度或熱運(yùn)動(dòng)而向外發(fā)射熱射線的過程是一種不需要物體直接接觸的熱傳遞方式。
一切宏觀物體都以熱能的形式向外輻射能量，并伴隨能量形式轉(zhuǎn)換，即熱能電磁波→熱能。實(shí)驗(yàn)證明，在任何溫度下，物體都 外發(fā)射各種頻率的電磁波。在物體向周圍發(fā)出輻射能的同時(shí)，也在 收其他物體發(fā)出的熱輻射能，其結(jié)果是物體間的能量轉(zhuǎn)移，即輻射 熱。輻射能可以在真空中傳播，而熱傳導(dǎo)、對(duì)流只有當(dāng)存在著氣體、液體或固體物質(zhì)時(shí)才能進(jìn)行。
熱輻射能量與物體本身的溫度、物體的特性有關(guān)。物體表面顏越深、表面粗糙度越大，發(fā)射和吸收輻射能越容易。黑體的輻射出度與物體絕對(duì)溫度的四次方成正比。冷凝器加工成黑色是為了增強(qiáng)射能力，冷庫的墻體或換熱管道的包扎采用淺色和銀白色，目的是減少輻射能的吸收，提高保溫效果。
在制冷空調(diào)技術(shù)中，熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射這三種熱傳遞方式往同時(shí)進(jìn)行。對(duì)其處理是否恰當(dāng)，關(guān)系到設(shè)備的制冷效果。但由于制冷與空調(diào)系統(tǒng)中溫度低、溫差小，計(jì)算熱負(fù)荷時(shí)常常忽略輻射換熱。
4.熱傳遞方式的應(yīng)用
在各類制冷空調(diào)設(shè)備中，應(yīng)用熱傳遞的方式可以強(qiáng)化或削弱傳熱，從而提高制冷空調(diào)設(shè)備的制冷性能，保障其安全運(yùn)行。
對(duì)于各類熱交換設(shè)備，提高傳熱效率，即盡可能提高單位面積傳熱量，可以達(dá)到使設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、減輕重量、節(jié)省材料和減少能的目的。從傳熱方程式可知，提高換熱系數(shù)、擴(kuò)大傳熱面積、增大熱溫差都可使傳熱量增大。例如，制冷與空調(diào)設(shè)備中的熱交換器，了增大熱交換量，都采用換熱系數(shù)大的材料。在冷凝器中，改進(jìn)傳面結(jié)構(gòu)以擴(kuò)大傳熱面積，使冷熱兩種流體反向流動(dòng)來加大傳熱溫差增大強(qiáng)制對(duì)流時(shí)流體介質(zhì)的流速也可提高換熱系數(shù)增加換熱量。在行與維修中，經(jīng)常清潔傳熱面、去除污垢，可有效地降低換熱熱阻，提高換熱效率。
制冷與空調(diào)的作用是通過采用人工的方法，在一定時(shí)間和一定 間里，將某流體(如空氣)或某物體冷卻，使其溫度低于環(huán)境溫度并保持這個(gè)預(yù)先設(shè)定的低溫。這時(shí)，熱傳遞的三種方式就會(huì)對(duì)其產(chǎn)影響。在制冷工程中，不僅要利用各種轉(zhuǎn)換方式以提高制冷效果，且還要根據(jù)各種熱傳遞方式的特征，以降低熱傳導(dǎo)，從而保持低溫這就需要削弱傳熱，如冰箱、冷庫和空調(diào)建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。為了能，空調(diào)用冷(熱)水管、風(fēng)管等都應(yīng)注意隔熱保溫，要選擇導(dǎo)熱力弱、換熱系數(shù)小的保溫材料做保溫層，在保證安全合理運(yùn)行的情下，盡量增大保溫層厚度。設(shè)備安置的環(huán)境應(yīng)盡量遠(yuǎn)離熱源，靠近冷源，并在輻射換熱面加遮熱板等。
四、熱力學(xué)基本定律
1.熱力學(xué)第一定律
熱力學(xué)第一定律，即能量守恒與轉(zhuǎn)換定律，指系統(tǒng)從外界吸收熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加和系統(tǒng)對(duì)外做的功之和。它建立起熱能和機(jī)械功之間相互轉(zhuǎn)換時(shí)的平衡關(guān)系，是熱、功數(shù)量計(jì)算基礎(chǔ)。
熱是能量傳遞的一種形式，熱可以在有溫度差的兩個(gè)物體之間遞，使一個(gè)物體的溫度升高而另一個(gè)物體的溫度降低，最終達(dá)到平衡。同樣也可以通過物體做功使物體的溫度升高，例如制冷設(shè)備的電動(dòng)機(jī)消耗電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，即電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)械功對(duì)制冷蒸氣進(jìn)行壓縮，使制冷劑壓縮成高溫高壓蒸氣，增加熱能后又進(jìn)入凝器，在冷凝器中這部分熱能又傳給空氣或冷卻水。這樣的熱量傳過程既體現(xiàn)了能量在轉(zhuǎn)移過程中的形式變化，又表明了功和熱之間的等量的本質(zhì)聯(lián)系。
歷史上，英國人焦耳進(jìn)行過多種多樣的實(shí)驗(yàn)，致力于精確測定與熱相互轉(zhuǎn)化的數(shù)值關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，外界可以通過做功使水的溫 發(fā)生變化(升溫△t)也可以通過熱傳遞使水產(chǎn)生同樣的溫度變化而且一定量的功消耗于水時(shí)，總是有等量的熱產(chǎn)生出來。這就說明功與熱的轉(zhuǎn)換只是能量傳遞的一種形式。
熱力學(xué)第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)化定律在涉及熱現(xiàn)象中的具體用。它指出自然界一切物質(zhì)都具有能量，各種形式的能量可在一定件下相互轉(zhuǎn)化，能量既不能創(chuàng)造，也不能消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)為另一種形式，或從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，而能的總量保持不變。
這個(gè)定律把各種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)化規(guī)律定量化，并找到了各物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式相互轉(zhuǎn)化時(shí)的公共量度，這個(gè)公共量度以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的作為測量標(biāo)準(zhǔn)。它表示，將一定數(shù)量的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能時(shí)，必產(chǎn)一定數(shù)量的機(jī)械功。反之一定量的機(jī)械功轉(zhuǎn)換為熱能時(shí)，也必產(chǎn)生數(shù)量一定的熱能。
當(dāng)外界做功使物體生熱時(shí)，功與熱之比為定值，稱為功熱當(dāng)量(A)。
A =4.18/427(kJ/kgf·m)
當(dāng)以熱做功時(shí)熱與功之比為定值，稱為熱功當(dāng)(E)。
E =427/4.18(kgf·m/kJ)
熱和功兩量之關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式為
Q = AW
式中 Q——熱量(由機(jī)械功生成的熱)kJ;
W——機(jī)械功N·m;
A——功熱當(dāng)量，kJ/(N·m)。
在制冷與空調(diào)工程中，利用熱力學(xué)第一定律可以分析各類熱力系統(tǒng)工質(zhì)的穩(wěn)定流動(dòng)過程，建立能量轉(zhuǎn)換方程式。例如對(duì)于閉口熱力系統(tǒng)，工質(zhì)可以同外界發(fā)生熱量和功的交換，但沒有工質(zhì)的流進(jìn)流出工質(zhì)可以發(fā)生狀態(tài)變化，但其質(zhì)量恒定不變。而在開口熱力學(xué)系統(tǒng)中工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)和流量不隨時(shí)間而變化，而且進(jìn)、出口流量相等；要求系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)，同外界交換的熱量和功始終保持恒定。
2.熱力學(xué)第二定律
熱力學(xué)第一定律建立了內(nèi)能、功和熱量的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，各種式的能可以自由地相互轉(zhuǎn)化。只要在過程中總的數(shù)量守恒，無論是轉(zhuǎn)換為熱，還是熱轉(zhuǎn)換為功，都沒有給予任何限制。即熱力學(xué)第一律并沒有指出能量轉(zhuǎn)換的條件和方向。在熱傳遞過程中，熱量可以 高溫物體自發(fā)地傳向低溫物體，氣體可以自由膨脹充滿整個(gè)容器， 熱量卻不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體，氣體也不能從充滿的器中自動(dòng)縮回原處。人們的實(shí)踐表明，在沒有任何外界作用的條件下任何反方向的過程是不會(huì)自動(dòng)發(fā)生的，在熱力學(xué)系統(tǒng)中一切實(shí)際 宏觀熱過程都具有方向性，是不可逆過程，這就是熱力學(xué)第二定律揭示的基本事實(shí)和基本規(guī)律。它和第一定律一起構(gòu)成了熱力學(xué)的主要理論基礎(chǔ)。
熱力學(xué)第二定律是在有關(guān)如何提高熱機(jī)效率的研究的推動(dòng)下逐步被發(fā)現(xiàn)的。對(duì)熱力學(xué)第二定律有以下兩種經(jīng)典表述。
(1)在自然條件下，“熱量由物體自動(dòng)地轉(zhuǎn)移到另一較高溫度物體而不引起其他變化是不可能的"。這種表述說明熱量不能從低溫體自動(dòng)轉(zhuǎn)移到高溫物體。欲使熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體，必定要消耗外界的功。
(2)“不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χa(chǎn)生其他影響。”這種表述說明，各種形式的能很容易轉(zhuǎn)換為熱能，使熱能全部而且連續(xù)地轉(zhuǎn)換為功是不可能的，因?yàn)闊崮苻D(zhuǎn)換為功時(shí)，必定伴隨著熱量的損失。
熱力學(xué)第二定律的兩種表述都反映了同一客觀規(guī)律，彼此是等的。第二種表述說明功變熱過程是不可逆的；而第一種表述則指出熱傳導(dǎo)過程的不可逆性。它表明了自然界的自發(fā)過程具有一定的方向性和不可逆性，而若實(shí)現(xiàn)可逆過程，必須具備補(bǔ)充條件，并且在能量轉(zhuǎn)換中其能量的有效利用有一定的限度。
在制冷與空調(diào)技術(shù)中，制冷機(jī)將低溫物體(如冷凍室、冷藏室的熱量轉(zhuǎn)移給自然環(huán)境(如水或空氣),并維持低溫環(huán)境；熱泵則 從自然環(huán)境中吸取熱量，并將其輸送到需要較高溫度的環(huán)境中去( 暖室),這兩種過程都是要消耗機(jī)械能，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，使熱 由低溫?zé)嵩?蒸發(fā)器)轉(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩?冷凝器)。為了盡可能地 低在轉(zhuǎn)換過程中的能量損失，就必須采取改進(jìn)制冷循環(huán)的方法，在一定條件下提高熱效率并使之達(dá)到最高值。