暖通空调系统中的热力学

热力学描述了热量和其他类型能量的作用以及它们之间的关系。乍一看，这个话题似乎有点令人生畏。但是，如果你了解了供暖、通风和空调（HVAC）系统中的热力学理论，你就能立即掌握系统的工作原理和原因，以及系统的最佳应用方式。

6 热传递基础知识

要理解热力学原理，我们必须首先理解有关热量和热传递的六个概念。

1) 冷意味着没有热量。要使物体变冷，就必须带走热量。

2) 热量和温度是两回事：

• 热是能量从一个物体、系统或地方流向另一个物体、系统或地方。
• 温度测量的是物体的内部动能。

3) 热量会自然地从高温区域向低温区域移动。

4) 热量通过三种方式流动。

• 传导是热量通过直接接触从一个物体传递到另一个物体。
• 对流是通过气体或液体将热量从一个物体传递到环境中，从高温传递到低温。
• 辐射是通过电磁辐射传递热量。

5) 相变是指物体从一种状态变为另一种状态，例如冰（固态）融化成水（液态），而水又蒸发成蒸汽（气态）。

6) 两种介质之间的温差越大，热量传递的速度就越快。

热力学定律

好消息是，您不需要科学学位也能了解暖通空调系统的工作原理。热力学定律共有四条：第一定律、第二定律和第三定律。第零定律是最后一个被发现的定律，但它是其他三个定律的基础，因此被命名为第零定律，并有优先顺序。

第零定律和第一定律很容易理解，而第二定律和第三定律则与一种叫做熵的东西有关，熵是衡量一个系统无序程度的尺度。虽然这一切听起来非常复杂，但熵是对能量分散程度的衡量。当能量集中在一起时，它是有用的，但当它分散开来时，它就没用了。这些能量仍然存在（在大气中），但现在已经没有用处了。
 

热力学第零定律

说的是什么： 热力学第零定律指出，如果两个热力学系统分别与第三个系统处于热平衡状态，那么它们之间也处于热平衡状态。

这意味着什么： 如果两个物体的温度相同，它们就不会交换热量。

举例说明： 冰箱中的食物和饮料与冰箱中的空气温度相同。所有物质都处于热平衡状态，物质之间不会发生热传递。
 

热力学第一定律

说的是什么： 第一定律指出，能量既不能被创造，也不能被毁灭。

它意味着什么： 它也被称为能量守恒定律，说明能量只能从一种形式转移或改变到另一种形式。

举例说明： 电烤箱会将电能转化为热能。100 个单位的电能将转化为 100 个单位的热能来烹饪食物。
 

热力学第二定律

说的是什么： 第二定律指出，任何孤立系统的熵都会随着时间的推移而增加。

它意味着什么： 能量总是在向外扩散。热量总是会从较热的区域流向较冷的区域，但不会自发地从冷处流向热处。

举例说明： 从烤箱中取出刚出锅的食物时，热量会散失。热量会从热的食物转移到较冷的盘子和周围较冷的空气中。
 

热力学第三定律

说的是什么： 当温度接近绝对零度*时，系统的熵接近恒定的最小值。

这意味着什么： 当温度达到绝对零度时，热能将不复存在。热量无法转移到另一种物质上，也就没有能量可以传播。因此，熵也达到了零点。

举例说明： 蒸汽中的分子运动很快，熵值很高。如果蒸汽冷却到 100 摄氏度以下，就会发生从气态到液态水的相变。与蒸汽相比，水的分子运动较慢，熵也较低。将水冷却到 0 摄氏度以下，它又会发生一次相变，从液态变为固态冰。分子运动进一步减弱，熵也进一步减小。如果将冰一直冷却到绝对零度，熵也将变为零。

*0o开尔文，-273.15oC或-459.67oF。
 

我们学到了

1. 不同类型的能量可以相互转换。
2. 热量会自然地从高温区域向低温区域移动，但如果物体的温度相同，则不会有热量转移。
3. 物质损失的有用能量受温度影响。

利用热力学循环中的这些原理，我们可以控制和利用热量的流动。

制冷剂和热力学循环

制冷剂是一种非常有用的物质。它的沸点很低，可以很容易地吸收和释放热量。当你增加制冷剂的压力时，它的温度和内部动能也会相应增加。当降低制冷剂的压力时，其温度和内部动能会下降。

在暖通空调系统中，制冷剂会在部件中循环，这不仅会改变其压力和温度，还会改变其物理状态。制冷剂会从液态相变为气态，反之亦然，并在此过程中吸收和释放热量。

冷水机组和热泵系统中的热力学

冷水机组和热泵系统的热力学循环完全相同。该循环可用于加热或冷却，使用蒸汽压缩循环。在一个简单的系统中，它由四个主要部分组成： 

压缩机： 压缩机是系统的核心，驱动整个制冷过程。低压制冷剂气体（饱和蒸汽）进入压缩机，被压缩成高压、加热气体（过热蒸汽）。然后，热制冷剂气体流向系统中的下一个元件，即冷凝器。

冷凝器：冷凝器是一个热交换器，它也将制冷剂的状态从气体转变为液体。在冷凝器中，当过热蒸汽通过水或空气交换不需要的热量时，就会冷凝成高压液体（饱和液体）。这种状态变化会释放潜热，并使制冷剂过冷。

膨胀阀： 高压液态制冷剂随后通过膨胀阀。这样可以降低压力，从而降低温度，产生低温、低压的制冷剂液体。

蒸发器： 冷却的低压液态制冷剂进入蒸发器。与冷凝器一样，蒸发器也是一个热交换器，它能使制冷剂的状态发生变化。制冷剂从空气或水中吸收热量，使其沸腾并蒸发成低压气体（饱和蒸汽）。这种状态变化会吸收热量，使空气或水冷却。

低压气体从蒸发器进入压缩机，循环再次开始。

希望您现在对热泵和冷水机组系统的热力学有了更好的了解。但在此之前，您还应该知道一件事，那就是如何选择最适合您要求的暖通空调产品。

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