制冷系数的测定 ----应物02陈忠旺 10093026
一 实验目的 ：
1．培养学生理论联系实际，学与用相结合的实际工作能力。
2．学习电冰箱的制冷原理，加深对热学基本知识的理解。
3．测定电冰箱的制冷系数。
二 实验原理：
1. 制冷的理论基础
制冷机：
将热量从低温源不断输送到高温源，从而获得低温的机器。我们常使用的电冰箱就是一个制冷机。
热力学第二定律指出：
不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起外界的变化。通俗的讲，就是低温源不会自动将热量传递到高温源。如果要使热量从低温源传到高温源，必须要有外界对系统做功。
图1
如图一，Q2为低温源放出的热量，Ｗ为外界对系统作的功，Q1为高温源吸收的热量，三者关系为：
Q1=Q2+W
2．制冷系数
我们定义制冷系数为
ε=Q2/W
可见，当ε较大时，那么外界做比较小的功W，就可以使低温源吸出较多的热量Q2
。从实
用的角度说，ε越大越经济，比如说冰箱用较少的电，就可以获得很低的温度。 理想气体的卡诺逆循环，制冷系数可表达为：
T2?? T1?T2
其中，T1和T2分别为高温源和低温源的温度。
3．制冷方式
制冷可利用熔解热、升华热、蒸发热、帕尔帖效应等方式。我们用的是蒸发制冷。
蒸发是液体分子经液面转移到气态的过程。 当液体分子离开液面时，需克服液体分子的引力而做功，于是离开液面的分子总是那些热运动动能较大的分子。 这样，蒸发的结果将使液体中分子的平均热运动的动能减小，从而使液体温度降低，这就是蒸发降温的原理。 电冰箱是用氟里昂做制冷剂，当液体氟里昂在蒸发器里大量蒸发时，带走所需的热量，从而达到制冷的目的。 因此，电冰箱是一种利用蒸发热方式制冷的机器。
利用蒸发制冷，工作物质必须经过气体------- 液体 --------气体的相变，不能用理想气体。
4．真实气体的等温线
如图二，图中右上角的那条等温线为双曲线，它和理想气体的等温线是一样的。
随着温度降低（图中越往左下角，等温线表示的温度越低），等温线不再是双曲线，而是逐渐显现出一个横向平台的形状。
我们以曲线ABCD为例进行简单分析：
曲线的A→B段表示气相；
从B→C，是一个由气相向液相转变的过程，线段BC上的点表示气液共存的状态，越靠近C点，液体成分越多，气体成分越少。到了C点，气体全部变成了液体，BC段既等温又等压。
从C→D一直往后都表示液相状态，由于液体不易被压缩，所以从图中可见，p
虽不断加大，
但v不变。
注意：
①BC上的每一点的状态所含的气、液比例虽不同，但气、液混合物的压强是相同的，这个压强称为饱和蒸汽压。
②温度越高（图中越往右上角的等温线表示的温度越高），代表气液共存的BC段越短，当温度升高到一定程度。BC段缩成了一个点E，此点称为临界点，相应的等温线为临界等温线。
温度再升高，将不会有液相存在。也就是说，当温度很高时，无论压力怎样大，都不能把气体压缩为液体。
③我们将各等温线的开始液化点B和液化终了点C用虚线连起来。
这条虚线下包围的点都表示气液共存，虚线以外，左边是液相，右边是气相。
5．电冰箱的制冷循环
电冰箱的制冷循环可分为四个过程：
K→L绝热压缩 L→M等压冷凝
M→N绝热减压 N→K等压蒸发
图4：工作为
物质氟里昂（以下简称R12）的工作循环p-V图。
①K→L，压缩机将R12压缩成高压高温气体。
②L→M，R12在冷凝器（也就是散热器）中降温，将热量传递给了外界的空气，这个过程是等压过程，R12温度下降，液化。
③M→N，R12在毛细管中经过一个节流过程（关于节流的概念见附录）后，压强和温度都降低，这时R12温度已变得非常低，气液共存。注意，R12在进入毛细管前先经过干燥器吸收掉可能混入的微量水分，以免降温后水结冰堵塞毛细管。
④N→K，在蒸发器中R12经过蒸发器管道，蒸发吸热。蒸发器是与待降温物相接触的，而R12在M→N的过程后，温度已变得比待降温物还低，所以R12就吸收待降温物的热量。
三、实验装置
模拟电冰箱实验（MB-III型）装置如下图所示：
1.冷冻室
其组成是在杜瓦瓶中盛三分之二深度的含水酒精作冷冻物；用蛇形管蒸发制冷剂从而吸热； 用加热器平衡制冷剂蒸发时的吸热量，并用马达带动搅拌器使冷冻室内温度均匀。 温度计用于读出冷冻室内含水酒精温度，以判定是否已达到了热平衡。
2.冷凝器
即散热器，在实验装置的背后，接“冷凝器入口B”和“冷凝器出口E”。
3.干燥管和毛细管
干燥管内装有吸湿剂，用于滤除制冷剂中可能存在的微量水分和杂质，防止在毛细管中产生冷冻堵塞或脏堵塞。
内径小于0.2毫米的毛细管用于制冷剂节流膨胀，产生焦耳—汤姆孙效应。
4.压缩机和电流表
压缩机的有功功率可由整个仪器左上角的功率计读出。而由于有损耗，实际的压缩计功率应该比读数小，其修正公式为：
P=0.52P电
其中P为压缩机的实际功率，P电为功率计示数。
5.电表
加热电流、电压，用来测量加热功率。加热器的电压表读数乘上电流表读数即为加热器的功率。
四、实验内容
测量压缩机功率、制冷量、制冷系数及其与温度的关系曲线。
制冷量Q表示单位时间内制冷剂通过蒸发器吸收的热量，Q用热平衡方法测量。 对冷冻室在制冷的条件下加热，当温度保持不变，这时加热器的加热功率P热即为制冷量Q 制冷系数：
ε=Q2/W=Q/P机
式中p机为压缩机的有功功率。
五、实验步骤
1.检查仪器，将测量仪上的加热调压器按逆时针旋至最小。
2. 接通实验仪总电源，打开搅拌器开关和制冷开关，压缩机启动开始制冷。
⒊按分钟记录蒸发器温度直至最低温度附近（－20℃左右），同时观察并记录压缩机排气口、进气口及冷凝器末端的压力及压缩机功率。要经常注意压缩机电流表的指示值，当指示值急剧增大并超过1安培时，要停机检查是否有堵塞情况发生。压缩机停机以后不能立即启动，再次启动要相隔五分钟。
4.打开加热器开关，调节加热器的电压，使蒸发器温度稍稍升高最终稳定保持不变（稳定的标准为至少两分钟内温度读数不发生改变），这时加热器输出功率与制冷量相等，记录这些温度下的加热功率及压缩机功率，计算制冷系数。
5.改变加热器电压使蒸发器内的温度从－２０℃到０℃间至少测量六组数据。
6.在进行上述各点加热功率测量的同时，分别记录压缩机排气口、进气口及冷凝器末端压力。
7.画出压缩机功率－温度关系曲线、制冷量－温度关系曲线、制冷系数－温度曲线，并分析系统误差。
六、注意事项
1. 实验时，学生切勿搬动实验装置上的任何一部件和仪器背后的制冷剂充注阀，以免造成制冷剂泄漏而损坏仪器。
2. 整个实验过程中必须一直打开搅拌器，以防止杜瓦瓶中液体结冰损坏实验仪器。
3. 测量时，要等温度充分稳定后（可从冷冻室温度t0判断），再记录数据。
1压缩机功率与温度的关系曲线
2制冷量与温度的关系曲线
3制冷系数与温度的关系
八.思考题
1.在一定温度下，随着被冷却液温度的降低，预计制冷机的制冷量和制冷系数是增加还是降低？为什么？
制冷量减小，制冷系数降低，因为被冷却液温度降低，它与冷冻室的接触在单位时间内的热量交换Q=cm△t减少，因此制冷量减少，而压缩机功率不变，制冷系数降低。
2.为什么测量时一定要使被冷却液温度充分稳定后才记录数据？
因为只有当被冷却液温度稳定时，对应的加热功率才与制冷功率相等，否则不稳定时的数据无法根据热平衡原理得出制冷量。
3. －２０℃附近和－１０℃附近的制冷量和制冷系数有何差别，为什么会出现这种差别？
－１０℃附近的制冷量和制冷系数比－２０℃附近的制冷量和制冷系数高，原因与问题一相同，被冷却液在与冷却液接触时，温差越大，热量交换速率越快，所以在压缩机功率一定时，被冷却液温度越高，制冷量和制冷系数越高。
4.简述实际循环过程中工作物质的温度、压强、体积、状态的变化，最低温度在何处？ 工作物质即制冷液首先在压缩机压缩做功下，绝热压缩，温度升高，压强增加，体积减小，然后在冷凝器中等压冷凝，温度下降，体积减小，在经过干燥剂和毛细管绝热减压，温度下降，最后与被冷却液接触等压蒸发吸热，温度升高。最低温度出现在从毛细管出来处。
第二篇：制冷系数
制冷系数的测定
长期以来，热学实验始终是物理实验中的一个薄弱环节，学生对许多热学知识，往往仅限于书本中所学到的深度。本实验通过应用热学知识广泛而又实际的电冰箱，将一些热学基本知识，如热力学定律；等温、等压、绝热、循环等过程；以及焦耳-汤姆逊实验等，做了综合性应用，使学生在加深对热学基本知识理解的同时，得到一次理论与实际，学与用相结合的锻炼。
一 实验目的
1．培养学生理论联系实际，学与用相结合的实际工作能力。
2．学习电冰箱的制冷原理，加深对热学基本知识的理解。
3．测定电冰箱的制冷系数。
二 实验原理
1. 制冷的理论基础
制冷机：
将热量从低温源不断输送到高温源，从而获得低温的机器。我们常使用的电冰箱就是一个制冷机。
热力学第二定律指出：
不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起外界的变化。通俗的讲，就是低温源不会自动将热量传递到高温源。如果要使热量从低温源传到高温源，必须要有外界对系统做功。
图1
如图一，Q2为低温源放出的热量，Ｗ为外界对系统作的功，Q1为高温源吸收的热量，三者关系为：Q1=Q2+W
2．制冷系数
我们定义制冷系数为ε=Q2/W
可见，当ε较大时，那么外界做比较小的功W，就可以使低温源吸出较多的热量Q2。从实用的角度说，ε越大越经济，比如说冰箱用较少的电，就可以获得很低的温度。
理想气体的卡诺逆循环，制冷系数可表达为： T2其中，T1和T2分别为高温源和低温源的温度。 ?? T1?T2
3．制冷方式
制冷可利用熔解热、升华热、蒸发热、帕尔帖效应等方式。我们用的是蒸发制冷。
蒸发是液体分子经液面转移到气态的过程。当液体分子离开液面时，
需克服液体分子的引力
而做功，于是离开液面的分子总是那些热运动动能较大的分子。 这样，蒸发的结果将使液体中分子的平均热运动的动能减小，从而使液体温度降低，这就是蒸发降温的原理。 电冰箱是用氟里昂做制冷剂，当液体氟里昂在蒸发器里大量蒸发时，带走所需的热量，从而达到制冷的目的。因此，电冰箱是一种利用蒸发热方式制冷的机器。利用蒸发制冷，工作物质必须经过气体 液体 气体的相变，不能用理想气体。
4．真实气体的等温线
图
2
如图二，图中右上角的那条等温线为双曲线，它和理想气体的等温线是一样的。
随着温度降低（图中越往左下角，等温线表示的温度越低），等温线不再是双曲线，而是逐渐显现出一个横向平台的形状。
我们以曲线ABCD为例进行简单分析：曲线的A→B段表示气相；从B→C，是一个由气相向液相转变的过程，线段BC上的点表示气液共存的状态，越靠近C点，液体成分越多，气体成分越少。到了C点，气体全部变成了液体，BC段既等温又等压。从C→D一直往后都表示液相状态，由于液体不易被压缩，所以从图中可见，p虽不断加大，但v不变。
注意：①BC上的每一点的状态所含的气、液比例虽不同，但气、液混合物的压强是相同的，这个压强称为饱和蒸汽压。②温度越高（图中越往右上角的等温线表示的温度越高），代表气液共存的BC段越短，当温度升高到一定程度。BC段缩成了一个点E，此点称为临界点，相应的等温线为临界等温线。 温度再升高，将不会有液相存在。也就是说，当温度很高时，无论压力怎样大，都不能把气体压缩为液体。
③我们将各等温线的开始液化点B和液化终了点C用虚线连起来。这条虚线下包围的点都表示气液共存，虚线以外，左边是液相，右边是气相。
5．电冰箱的制冷循环
电冰箱的制冷循环可分为四个过程：K→L绝热压缩 L→M等压冷凝M→N绝热减压 N→K等压蒸发。
图4：工作为物质氟里昂（以下简称R12）的工作循环p-V图
①K→L，压缩机将R12压缩成高压高温气体。
②L→M，R12在冷凝器（也就是散热器）中降温，将热量传递给了外界的空气，这个过程是等压过程，R12温度下降，液化。
③M→N，R12在毛细管中经过一个节流过程（关于节流的概念见附录）后，压强和温度都降低，这时R12温度已变得非常低，气液共存。注意，R12在进入毛细管前先经过干燥器吸收掉可能混入的微量水分，以免降温后水结冰堵塞毛细管。
④N→K，在蒸发器中R12经过蒸发器管道，蒸发吸热。蒸发器是与待降温物相接触的，而R12在M→N的过程后，温度已变得比待降温物还低，所以R12就吸收待降温物的热量。
三、实验装置
模拟电冰箱实验（MB-III型）装置如下图所示：
1.冷冻室
其组成是在杜瓦瓶中盛三分之二深度的含水酒精作冷冻物；用蛇形管蒸发制冷剂从而吸热； 用加热器平衡制冷剂蒸发时的吸热量，并用马达带动搅拌器使冷冻室内温度均匀。温度计用于读出冷冻室内含水酒精温度，以判定是否已达到了热平衡。
2.冷凝器
即散热器，在实验装置的背后，接“冷凝器入口B”和“冷凝器出口E”。
3.干燥管和毛细管
干燥管内装有吸湿剂，用于滤除制冷剂中可能存在的微量水分和杂质，防止在毛细管中产生冷冻堵塞或脏堵塞。内径小于0.2
毫米的毛细管用于制冷剂节流膨胀，产生焦耳—汤姆孙效
应。
4.压缩机和电流表
压缩机的有功功率可由整个仪器左上角的功率计读出。而由于有损耗，实际的压缩计功率应该比读数小，其修正公式为： P=0.52P电 其中P为压缩机的实际功率，P电为功率计示数。
5.电表
加热电流、电压，用来测量加热功率。加热器的电压表读数乘上电流表读数即为加热器的功率。
四、实验内容
测量压缩机功率、制冷量、制冷系数及其与温度的关系曲线。制冷量Q表示单位时间内制冷剂通过蒸发器吸收的热量，Q用热平衡方法测量。
对冷冻室在制冷的条件下加热，当温度保持不变，这时加热器的加热功率P热即为制冷量Q 制冷系数：ε=Q2/W=Q/P机 式中p机为压缩机的有功功率。
五、实验步骤
1.检查仪器，将测量仪上的加热调压器按逆时针旋至最小。
2. 接通实验仪总电源，打开搅拌器开关和制冷开关，压缩机启动开始制冷。
⒊按分钟记录蒸发器温度直至最低温度附近（－20℃左右），同时观察并记录压缩机排气口、进气口及冷凝器末端的压力及压缩机功率。要经常注意压缩机电流表的指示值，当指示值急剧增大并超过1安培时，要停机检查是否有堵塞情况发生。压缩机停机以后不能立即启动，再次启动要相隔五分钟。
4.打开加热器开关，调节加热器的电压，使蒸发器温度稍稍升高最终稳定保持不变（稳定的标准为至少两分钟内温度读数不发生改变），这时加热器输出功率与制冷量相等，记录这些温度下的加热功率及压缩机功率，计算制冷系数。
5.改变加热器电压使蒸发器内的温度从－２０℃到０℃间至少测量六组数据。
6.在进行上述各点加热功率测量的同时，分别记录压缩机排气口、进气口及冷凝器末端压力。
7.画出压缩机功率－温度关系曲线、制冷量－温度关系曲线、制冷系数－温度曲线，并分析系统误差。
六、注意事项
1. 实验时，学生切勿搬动实验装置上的任何一部件和仪器背后的制冷剂充注阀，以免造成制冷剂泄漏而损坏仪器。
2. 整个实验过程中必须一直打开搅拌器，以防止杜瓦瓶中液体结冰损坏实验仪器。
3. 测量时，要等温度充分稳定后（可从冷冻室温度t0判断），再记录数据。
七.思考题
1.在一定温度下，随着被冷却液温度的降低，预计制冷机的制冷量和制冷系数是增加还是降低？为什么？
2.为什么测量时一定要使被冷却液温度充分稳定后才记录数据？
3. －２０℃附近和－１０℃附近的制冷量和制冷系数有何差别，为什么会出现这种差别？
4.简述实际循环过程中工作物质的温度、压强、体积、状态的变化，最低温度在何处？
八．拓展
蒸发制冷主要用于空调和冰箱的制冷技术中。如果工作物质用氦，一般最低可获得1K左右的低温。在低温技术中常根据不同的目的采用不同的制冷方法。如果要液化气体，常用节流膨胀的方法，在节流膨胀的制冷区节流膨胀可以使气体降温。1K以下的极低温可用绝热去磁、稀释制冷方法获得。