#新浪科技综合#为了让你过好夏天，你知道科学家们有多努力吗？新浪科技综合2020-08-30 10:48:460阅( 二 )

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图11/23这说明卡诺循环效率只与两个热源的温度有关，且在有限温度内不可能达到1 ，不过可以通过升高高温温度和降低低温温度来增大效率。

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图12/23斯特林发动机 I | 来源：看点快报1816年，英国伦敦的牧师罗巴特·斯特林（Robert Stirling）发明了斯特林发动机（Stirling engine），它理论上的效率几乎等于理论最大效率——卡诺循环效率。斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。它是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀后的气体又在冷气室里被冷却，反复地进行这样的循环过程。

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图13/23斯特林发动机 III | 来源：看点快报由于准静态过程可逆，如果令整个卡诺循环反向进行，依次经状态 I→IV→III→II 而回到状态I ，就需要外界对系统作功，在低温热源 T2 吸热 Q2，在高温热源 T1 放热 Q1，这个逆循环正是理想制冷器的工作循环，其作用是把热量从低温物体送到高温物体。

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图14/23斯特林制冷器示意图，该系统由一个活塞在环境温度 Ta ，一个活塞在低温 TL | 来源：wiki
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图15/23斯特林循环的四种状态 | 来源：wiki 斯特林制冷器正是利用逆卡诺循环来实现降温的，它由冷热活塞、冷量换热器、冷却器、回热器和两个气缸组成。冷却循环分为4个步骤；
等温压缩过程 a→b：冷活塞固定，热活塞右移，以环境温度 Ta 放热 Qa ；
定容放热过程 b→c：两个活塞同时向右移动，气体的体积保持不变，当热气体通过回热器时，将热量传给填料，因而温度由 Ta 降低到 TL ；
等温膨胀过程 c→d：热活塞固定，冷活塞右移，温度为 TL 的气体进行等温膨胀，从低温热源（冷却对象）吸收一定的热量 QL（制冷量）；
定容吸热过程 d→a：两个活塞同时向左移动直至左止点，气体体积保持不变，回复到起始位置。当温度为 TL 的气体流经时从回热器填料吸热，温度升高到 Ta 。
外界对制冷器作功：

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图16/23效率为：

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图17/23发现其理想效率也只与两个温度有关。斯特林制冷器具有结构紧凑、工作温度范围宽、启动快、效率高、操作简便等优点。两空间制冷机温度可达 80 K 。三空间制冷机温度可达 10.5-20 K 。四空间制冷机温度可达 7.8 K 。冷头最底温度达到6K到 3.1 K的斯特林制冷器也已研制成功。除此之外，还有Gifford-Mcmahon（GM）制冷器、脉冲管制冷器、节流制冷器等等。

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图18/23说完理想的卡诺循环热机和制冷器后，再来谈谈它在空调上的应用。 1902年后期，首个现代化、电力推动的空气调节系统由威利斯·开利发明。空调的核心原理也是逆卡诺循环，再加上冷媒（如二氟一氯甲烷）的状态改变进行热量的转化来对有限空间进行降温。
如图所示，压缩机 1 将低温常压气态的冷媒压缩成高温高压气态，然后输送到室外机的冷凝管 3 处散热后成为常温高压液态，因此室外机风扇 2 吹出来的是热风。然后流入细管 4 再进入室内机的蒸发器旋管 5，此处空间增大，压力减小，液体汽化吸收大量的热量，冷媒变成低温常压气态，室内机的风扇 6 将空气吹过蒸发器从而产生冷风，气体再经过压缩机 1，又是一个新的制冷循环。

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图19/23空调工作原理示意图 | 来源：removeandreplace.com利用某些物理化学现象来制冷也并不罕见。热电制冷又称作温差电制冷或半导体制冷，它是利用热电效应（帕尔帖效应）的一种制冷方法。

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图20/23热电制冷原理示意图 | 来源：58ytr.com1834年法国物理学家J 。C 。A 。帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，在将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后发现一个接头变热，另一个接头变冷。这说明两种不同材料组成的电回路在有直流电通过时，两个接头处分别发生了吸放热现象，这就是热电制冷的现象。半导体材料具有较高的热电势可以成功地用来做成小型热电制冷器。热电制冷器的产冷量一般很小，所以不宜大规模和大制冷量使用。但由于它的灵活性强，简单方便冷热切换容易，非常适宜于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场所。

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