热力学基本定律

2019-12-10 15:27:59 11


热力学基本定律
理解热力学第一定律和第二定律,有助于掌握制冷原理。
热力学第一定律和热力学第二定律是热力学的基本定律。它是制冷技术和热工技术的理论基础,说明了功和能之间相互转换的关系和条件。
飞机和火车的运行都是以热机(喷气发动机内燃机)作为动力的。热机的作用是把燃料所产生的热能转化为机械功。制冷机的作用是借用消耗一定量的机械能,而获得一定的冷量。
对热机,我们希望消耗尽量少的热能而获取尽可能多的机械功:而对制冷机,则希望消耗尽量少的机械能而获得尽可能多的制冷量。为此,我们需要研究热能和机械能相互转换时的条件及其规律。这就是下面要讨论的热力学第一定律和热力学第二定律。
热力学第一定律
热力学第一定律,即能量守恒与转换定律在热力学中的应用。能量守恒与转换定律是自然界的基本规律之一,它可以概述为:在自然界中一切物质都具有能量,能量既不能被消灭,也不能被创造,但可以从一种形态转变为另一种形态,且在能量转化的过程中,能的总量保持不变。将这一定律应用到涉及热现象的能量转换过程中,即是热力学第一定律,它可以表述为:热可以转变为功,功也可以转变成热:一定量的热消失时,必然伴随产生相应量的功:消耗一定的功时,必然产生与之对应量的热。或者说:热能可以转变为机械能,机械能可以转变为热能,在它们的传递和转换过程中,总量保持不变。
当物体从外界吸收热量Q 时,物体的内能应增加,增加的数值等于Q :当物体对外作功W 时,物体的内能应减少,减少的数值等于W 。如果物体从外界吸收热量Q ,同时又对外作功W ,则物体内能的增加量应为E=Q-W ,通常写为Q= E+W 
式中:Q—物体从外界吸收的热量,单位为J
E —物体内能的增加量,单位为J
W —物体对外作的功,单位为J
上式表明:物体从物界吸收的热量,一部分使物体的内能增加,另一部分用于物体对外作功。
历史上,在资本主义发展初期有人曾幻想制造一种可以不消耗能量而连续做功的机器。称第一类永动机,由于它违反热力学第一定律,就注定了其失败的命运。因此热力学第一定律也可以表述为:第一类永动机是不存在的。
       热力学第二定律
人们在长期的实践经验中发现,自然界中多数的现象都有吸热或放热效应,都涉及到热能与其他形式能量的转化,都存在热现象的方向性问题。例如,热量的传递,热功的互变,化学的反应,燃烧的现象,气体的扩散,混合,分离,溶解,结晶,辐射,生物化学,生命现象,信息理论,低温物理,气象以及其他许多问题,都需应用热力学第二定律的原理来判断其过程进行的方向,条件和深度。因而,针对各类具体问题。或是从不同的角度,热力学第二定律的叙述方式各有不同,但其本质是统一的,等效的。热力学第二定律的两种最基本的表述形式:克劳修斯表述法和开尔文表述法。
  1 :克劳修斯表述法
人们很早就发现两个温度不同的物体相接触时热量总是从高温的传向低温的,而不可能自发地反向进行。后来经过科学家反复搜索和思考,终于认识到热是一种能量,传热是能量转移的一种方式。在此认识的基础上,克劳修斯在1850 年终于对热力学第二定律作了首次简明扼要地论述:热不能自发地,不付出代价地,从低温物体传至高温物体,如同低水位不能自动向高处流动,必须通过水泵做功才能把低水位水送往高处一样,。这就是热力学第二定律的克劳修斯表述法。
2 :开尔文表述法
蒸汽机出现以后,在生产实践的基础上,人们在提高蒸汽机热效率的研究中,逐渐认识到要使热能连续地转化为机械能,必须存在温度差,这是基本的条件,所以至少要有两个以上温度不同的热源,即高温热源和低温热源。只有一个热源的热动力装置是无法工作的。同时人们还认识到,热能转化成机械能是有限度的,高温热源所提供的热量,无论如何不可能全部转化为机械能,其中不可避免地要有一部分排给低温热源。基于这些思想,在1851 年,开尔文提出了热力学第二定律的另一种表述法:不可能从单一热源取得热量使之完全转化为机械功而不引起其他变化。
各种形式的能很容易转换成热能,但热能却不能无条件地全部转换为功,因此热能转化成功时必定伴随着热量的损失,既热功转化毕定存在着能量的损失,通常人们把从单一热源取热并使之完全转变为功的机器称为第二类永动机。它虽然不违反热力学第一定律,转变过程能量是守恒的,但却违反了热力学第二定律。如果能从单一热源取热使之完全转变为功而不引起其他变化,那么人类就可以制造这样一种机器,以大气,海洋等作为单一热源,机器从中吸热对外做功,由于环境中能量是无无穷无尽的,因而这样的机器就可以永远工作下去,显然这是不可能的。因此,热力学第二定律又可表述为:第二类永动机是不可能制造成功的。
可以认为:
1 :克劳修斯和开尔文对热力学第二定律的不同描述,是学术界公认的热力学第二定律的两种最基本的表述方法。热力学第一定律和热力学第二定律,都是根据无数次的实践才得出的经验定律,它具有广泛的适用性和高度的可靠性。但是热能的本质,热现象所以有方向性的原因,都不是宏观方法所能解释的,只有在统计力学中,用微观的以及统计的方法才能予以阐明。和热力学第一定律一样,热力学第二定律是人类在生产和生活实践中总结并证明了它是自然界的基本定律之一,主要说明了热和功之间相互转换的条件。热力学第二定律的表述就有多种,但反映的是同一自然规律,因此各种表述具有等效性,违反了一种表述,必然导致违反另外的表述。
2 :热量不可能自发地,不花任何代价地从低温物体传向高温物体。如同低水位不能自动向高处流动,必须通过水泵做功才能把低水位水送往高处一样,只有通过制冷机消耗一定的机械能将低温库物体的热量转移到外界高温环境中,从而实现连续制冷的目的。
3 :热泵热水器就是运用热力学第二定律来制热的


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