一、热力学第二定律

在热量传递和热、功转换时，热力学第一定律只能说明它们之间的数量关系，的确不能揭示热功转换的条件和方向性。对于能量传递和转换过程进行的方向、条件和限度则是由热力学第二定律来揭示的，它指出：“热量能自发的从高温物体传向低温物体，而不能自发的从低温物体传向高温物体”。这正像石头或水不可能自发的从低处向高处运动一样。但这并不是说石头和水在任何条件下都不可能由低处移向高处，只要外界给它们足够大的作用力，在这个力的作用下石头或水就能由低处移向高处，这个外界作用力称为补偿。同样，不能把热力学第二定律的说法理解为：“不可能把热量从低温物体传到高温物体”。而是只要有一个补偿过程，热量就能自低温物体传到高温物体。制冷装置就是以消耗一定的外间功作为补偿过程而实现人工制冷的。

二、循环与理想制冷循环

 (一)循环  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。但工质在热机汽缸中仅仅完成一个膨胀过程是不可能满足要求的。为了能重复地进行膨胀，工质在每次膨胀之后必须进行压缩，以便使其回到初态。我们把工质从初态出发，经过一系列状态变化又回到初态的封闭过程，称为“循环”。循环按其进行方向不同又可分为正循环和逆循环。如下图所示：

   1、正循环及热效率

膨胀--压缩循环按顺时针

方向进行的，称为正循环。在

P—υ图上，正循环的膨胀线

1—2—3位于压缩线3—4—1

之上。正循环的单位质量净功

w₀ 为正值，若设高温热源加给工质的热量为q₁，工质放给低温热源的热量为q₂，则：

评价正循环的好坏，通常用循环热效率η_t来衡量，循环热效率是指工质在整个热力循环中，对外界所作的净功w₀ 与循环中外界所加给工质的热量q₁的比值。即：

2.逆循环及性能系数

膨胀--压缩循环按逆时针方向进行的，称为逆循环。如图2-1所示。逆循环的压缩线3—2—1位于膨胀线1—4—3 之上。其循环的净功为负值。若用q₁表示工质向高温热源放出的热量，用q₂表示工质从低温热源吸收的热量，则有：

w₀=q₁-q₂ 或q₁=q₂+w₀

   上式说明，外界对工质做功，且热量的传递方向也全部改变。也就是说，逆循环的效果是消耗外界的功，将热量从低温物体传递给高温物体。如逆循环的目的是从低温物体中吸收热量，则称为制冷循环。如逆循环的目的是给高温物体供热，则称为热泵循环。          

逆循环的好坏通常用性能系数ε来衡量。对于制冷机来说，是指从冷源吸收的热量

q₂与消耗的循环净功w₀的比值ε₁称为制冷系数。对于热泵来说，是指供给热源的热量q₁与消耗的循环净功w₀的比值ε₂称为供热系数。则有：

从上述分析可见，伴随着低温热源把一部分热量q₂传送到高温热源中去的同时, 循环的净功w₀也将转变为热量并流向高温热源，这就是使热量从低温热源传给高温热源所必需的补偿条件。没有这个补偿条件，热量是不可能从低温热源传给高温热源的。

  （二）理想制冷循环

理想制冷循环可通过逆卡诺循环来说明。

逆卡诺循环如图2-2所示，它由两个等温过程

和两个绝热过程组成。假设低温热源（即被冷却物

体）的温度为T₀，高温热源（即环境介质）的温度

为T_k, 则工质的温度在吸热过程中为T₀，在放热过

程中为T_k, 就是说在吸热和放热过程中工质与冷源

及高温热源之间没有温差，即传热是在等温下进行

的，压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行        

的。其循环过程为：

   首先工质在T₀下从冷源（即被冷却物体）吸取热量q₀，并进行等温膨胀4-1，然后通过绝热压缩1-2，使其温度由T₀升高至环境介质的温度T_k,再在T_k下进行等温压缩2-3，并向环境介质（即高温热源）放出热量q_k, 最后再进行绝热膨胀3-4，使其温度由T_k 降至T₀即使工质回到初始状态4，从而完成一个循环。

   对于逆卡诺循环来说，由图2-2可知：

                q₀=T₀(S₁-S₄）

                q_k=T_k(S₂-S₃)=T_k(S₁-S₄）

                w₀=q_k-q₀=T_k(S₁-S₄)-T₀(S₁-S₄)=(T_k-T₀)(S₁-S₄）

则逆卡诺循环制冷系数ε_k 为：

由上式可见，逆卡诺循环的制冷系数与工质的性质无关，只取决于冷源（即被冷却物体）的温度T₀和热源（即环境介质）的温度T_k；降低T_k，提高T₀，均可提高制冷系数。此外，由热力学第二定律还可以证明：“在给定的冷源和热源温度范围内工作的逆循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最高”。任何实际制冷循环的制冷系数都小于逆卡诺循环的制冷系数。

总上所述，理想制冷循环应为逆卡诺循环。而实际上逆卡诺循环是无法实现的，但它可以用作评价实际制冷循环完善程度的指标。通常将工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数ε与逆卡诺循环制冷系数ε_k之比，称为该制冷机循环的热力完善度，用符号η表示。即：

        η=ε/ε_k

热力完善度是用来表示制冷机循环接近逆卡诺循环循环的程度。它也是制冷循环的一个技术经济指标，但它与制冷系数的意义不同，对于工作温度不同的制冷机循环无法按其制冷系数的大小来比较循环的经济性好坏，而只能根据循环的热力完善度的大小来判断。