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      2. 熱力學基本定律

        2019-12-10 15:27:59 59


        熱力學基本定律
        理解熱力學第一定律和第二定律,有助于掌握制冷原理。
        熱力學第一定律和熱力學第二定律是熱力學的基本定律。它是制冷技術和熱工技術的理論基礎,說明了功和能之間相互轉換的關系和條件。
        飛機和火車的運行都是以熱機(噴氣發動機內燃機)作為動力的。熱機的作用是把燃料所產生的熱能轉化為機械功。制冷機的作用是借用消耗一定量的機械能,而獲得一定的冷量。
        對熱機,我們希望消耗盡量少的熱能而獲取盡可能多的機械功:而對制冷機,則希望消耗盡量少的機械能而獲得盡可能多的制冷量。為此,我們需要研究熱能和機械能相互轉換時的條件及其規律。這就是下面要討論的熱力學第一定律和熱力學第二定律。
        熱力學第一定律
        熱力學第一定律,即能量守恒與轉換定律在熱力學中的應用。能量守恒與轉換定律是自然界的基本規律之一,它可以概述為:在自然界中一切物質都具有能量,能量既不能被消滅,也不能被創造,但可以從一種形態轉變為另一種形態,且在能量轉化的過程中,能的總量保持不變。將這一定律應用到涉及熱現象的能量轉換過程中,即是熱力學第一定律,它可以表述為:熱可以轉變為功,功也可以轉變成熱:一定量的熱消失時,必然伴隨產生相應量的功:消耗一定的功時,必然產生與之對應量的熱?;蛘哒f:熱能可以轉變為機械能,機械能可以轉變為熱能,在它們的傳遞和轉換過程中,總量保持不變。
        當物體從外界吸收熱量Q 時,物體的內能應增加,增加的數值等于Q :當物體對外作功W 時,物體的內能應減少,減少的數值等于W 。如果物體從外界吸收熱量Q ,同時又對外作功W ,則物體內能的增加量應為E=Q-W ,通常寫為Q= E+W 
        式中:Q—物體從外界吸收的熱量,單位為J;
        E —物體內能的增加量,單位為J
        W —物體對外作的功,單位為J。
        上式表明:物體從物界吸收的熱量,一部分使物體的內能增加,另一部分用于物體對外作功。
        歷史上,在資本主義發展初期有人曾幻想制造一種可以不消耗能量而連續做功的機器。稱第一類永動機,由于它違反熱力學第一定律,就注定了其失敗的命運。因此熱力學第一定律也可以表述為:第一類永動機是不存在的。
               熱力學第二定律
        人們在長期的實踐經驗中發現,自然界中多數的現象都有吸熱或放熱效應,都涉及到熱能與其他形式能量的轉化,都存在熱現象的方向性問題。例如,熱量的傳遞,熱功的互變,化學的反應,燃燒的現象,氣體的擴散,混合,分離,溶解,結晶,輻射,生物化學,生命現象,信息理論,低溫物理,氣象以及其他許多問題,都需應用熱力學第二定律的原理來判斷其過程進行的方向,條件和深度。因而,針對各類具體問題?;蚴菑牟煌慕嵌?,熱力學第二定律的敘述方式各有不同,但其本質是統一的,等效的。熱力學第二定律的兩種最基本的表述形式:克勞修斯表述法和開爾文表述法。
          1 :克勞修斯表述法
        人們很早就發現兩個溫度不同的物體相接觸時熱量總是從高溫的傳向低溫的,而不可能自發地反向進行。后來經過科學家反復搜索和思考,終于認識到熱是一種能量,傳熱是能量轉移的一種方式。在此認識的基礎上,克勞修斯在1850 年終于對熱力學第二定律作了首次簡明扼要地論述:熱不能自發地,不付出代價地,從低溫物體傳至高溫物體,如同低水位不能自動向高處流動,必須通過水泵做功才能把低水位水送往高處一樣,。這就是熱力學第二定律的克勞修斯表述法。
        2 :開爾文表述法
        蒸汽機出現以后,在生產實踐的基礎上,人們在提高蒸汽機熱效率的研究中,逐漸認識到要使熱能連續地轉化為機械能,必須存在溫度差,這是基本的條件,所以至少要有兩個以上溫度不同的熱源,即高溫熱源和低溫熱源。只有一個熱源的熱動力裝置是無法工作的。同時人們還認識到,熱能轉化成機械能是有限度的,高溫熱源所提供的熱量,無論如何不可能全部轉化為機械能,其中不可避免地要有一部分排給低溫熱源?;谶@些思想,在1851 年,開爾文提出了熱力學第二定律的另一種表述法:不可能從單一熱源取得熱量使之完全轉化為機械功而不引起其他變化。
        各種形式的能很容易轉換成熱能,但熱能卻不能無條件地全部轉換為功,因此熱能轉化成功時必定伴隨著熱量的損失,既熱功轉化畢定存在著能量的損失,通常人們把從單一熱源取熱并使之完全轉變為功的機器稱為第二類永動機。它雖然不違反熱力學第一定律,轉變過程能量是守恒的,但卻違反了熱力學第二定律。如果能從單一熱源取熱使之完全轉變為功而不引起其他變化,那么人類就可以制造這樣一種機器,以大氣,海洋等作為單一熱源,機器從中吸熱對外做功,由于環境中能量是無無窮無盡的,因而這樣的機器就可以永遠工作下去,顯然這是不可能的。因此,熱力學第二定律又可表述為:第二類永動機是不可能制造成功的。
        可以認為:
        1 :克勞修斯和開爾文對熱力學第二定律的不同描述,是學術界公認的熱力學第二定律的兩種最基本的表述方法。熱力學第一定律和熱力學第二定律,都是根據無數次的實踐才得出的經驗定律,它具有廣泛的適用性和高度的可靠性。但是熱能的本質,熱現象所以有方向性的原因,都不是宏觀方法所能解釋的,只有在統計力學中,用微觀的以及統計的方法才能予以闡明。和熱力學第一定律一樣,熱力學第二定律是人類在生產和生活實踐中總結并證明了它是自然界的基本定律之一,主要說明了熱和功之間相互轉換的條件。熱力學第二定律的表述就有多種,但反映的是同一自然規律,因此各種表述具有等效性,違反了一種表述,必然導致違反另外的表述。
        2 :熱量不可能自發地,不花任何代價地從低溫物體傳向高溫物體。如同低水位不能自動向高處流動,必須通過水泵做功才能把低水位水送往高處一樣,只有通過制冷機消耗一定的機械能將低溫庫物體的熱量轉移到外界高溫環境中,從而實現連續制冷的目的。
        3 :熱泵熱水器就是運用熱力學第二定律來制熱的


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