熵及其節(jié)能應用概述PPT課件

1、熵的發(fā)展史 熵（entropy）指的是體系的混亂的程度，它在控制論、概率論、數論、天體物理、生命科學等領域都有重要應用，在不同的學科中也有引申出的更為具體的定義，是各領域十分重要的參量。 1850年，德國物理學家魯道夫克勞修斯首次提出熵的概念，用來表示任何一種能量在空間中分布的均勻程度，能量分布得越均勻，熵就越大。一個體系的能量完全均勻分布時，這個系統的熵就達到最大值。 在克勞修斯看來，在一個系統中，如果聽任它自然發(fā)展，那么，能量差總是傾向于消除的。讓一個熱物體同一個冷物體相接觸，熱就會以下面所說的方式流動：熱物體將冷卻，冷物體將變熱，直到兩個物體達到相同的溫度為止?？藙谛匏乖谘芯靠ㄖZ熱機時，

2、根據卡諾定理得出了對任意可逆循環(huán)過程都適用的一個公式 ：dS=dQ/T。第1頁/共22頁熵的定義 1：物理學上指熱能除以溫度所得的商，標志熱量轉化為功的程度。 2: 科學技術上用來描述、表征系統不確定程度的函數。亦被社會科學用以借喻人類社會某些狀態(tài)的程度。 3：傳播學中表示一種情境的不確定性和無組織性。第2頁/共22頁熵的應用熵在物理學中的應用 克勞修斯和玻爾茲曼分別給熵下了定義。因此分別稱為克勞修斯熵和玻爾茲曼熵。 熵到底是怎樣的一個物理量，如何理解？在克勞修斯的定義中熵表達為 :可逆過程中系統與周圍環(huán)境交換的熱量與溫度的比即熱溫比。在玻爾茲曼的定義中熵表達為 ：微觀狀態(tài)數的自然對數值與玻爾

3、茲曼常數的乘積即S= KlogW 其中 K為玻爾茲曼常數W表示一切系統的態(tài)。第3頁/共22頁 兩者實際上是一致的，克勞修斯熵是宏觀概念，著重表達熵的物理意義為能量的轉變；玻爾茲曼熵是微觀概念，著重表達熵的物理意義為一個體系的紊亂程度。在熱力學中熵的討論要嚴格區(qū)分在何種體系中。例如一個絕熱體系的變化，只有向熵增加的方向變化的可能這就是熵的增加原理，深究其數學表達會得出熵的增加是由于概率統計法則的原因。任何一個系統存在著各種態(tài)的可能，每種態(tài)的數學概率是不同的，有大有小，因此整個系統的最終變化趨勢是走向概率最大的那個態(tài)。 在熱力學中一個初始非熱平衡的態(tài)的發(fā)展趨勢是熱平衡態(tài)在這個過程中熵增加了符合熵的

4、增加原理?，F在用概率來說明熵的數學含義，它是表示物質系統狀態(tài)的一種量度或說明其可能出現的程度這個物質系統狀態(tài)可以是一切的自然現象。熵的數值表示 一個系統的無序和有序程度。 熵系統越是無序、越混亂不堪系統的熵值就越大。不可逆過程從微觀本質上講就是系統從有序趨于無序從概率較小的狀態(tài)趨于概率較大的狀態(tài)。第4頁/共22頁熵在社會學中的理解 熵在自然科學中的應用很廣泛 意義很大。 同時也可以將熵引入到社會科學中。 社會熵可以定義為 社會 負面消極的一個混亂程度。 對于組成社會的基本單元的個體來說 ,人 的利益與社會利益是相互依賴 相互依存的。 因此 如果處理人際之間 個 體和工作之間 整體與社會之間的問

5、題 是社會前進的動力、 發(fā)展更為 積極 是一個嚴肅的社會課題。 一個長期穩(wěn)定的系統 在沒有外界干擾 的情況下 會逐漸變得不穩(wěn)定 而這種不穩(wěn)定往往是不受約束的 不可 逆的 是具有極大破壞性的。 因此 為了保證系統的熵低 要人為的參與 進來 利用積極地、 合理地 、 有序的事件將可能發(fā)生的破壞性后果逐步 消化掉 避免不可控制的失控結果出現。第5頁/共22頁 熵在生物上的理解 生命體也是相同的原理，生命體的有序性和低熵，是不斷從外界吸取負熵，排除無序性即排除高熵來實現的.在生命發(fā)育和生長過程中，就是信息擴大的過程，熵是減少的，或者說是負熵增加的過程. 與之相反的過程是生命不斷耗散和有序性，組織性不斷

6、被破壞的過程，是信息不斷消失的過程，它趨向于與自然界平衡，趨向于“熱寂”和消亡.生命體就是這么一個斗爭的過程，不斷的發(fā)育和生長，自我復制，從外界吸取負熵，如食物，能量，水，氧等，同時排除高熵物質，無序性的物質如糞便，汗水，二氧化碳等.兩個相反的過程不斷的斗爭，就是不斷吸取負熵，然后又不斷的被消耗的過程，生命在兩者的斗爭過程中得以延續(xù).第6頁/共22頁 信息熵 信息熵是信息的擴散和消失，信息的熵越小，則所含的有序程度越高，如果信息的熵大，說明其有序性低，獲取了信息則意味著有序程度增加，即是負熵，任何使得隨機事件產生組織性，法則性，有序性的過程，其熵就是負值，相反的過程則是無序度增大，熵就增加，為

7、正值.查爾斯認為信息的銷毀是不可逆的過程，而產生信息則是從外界引入負熵的過程，把它應用到知識引用的領域，信息的熵小意味著它具有較高的有序性，組織性、法則性，傳播范圍更廣，引用次數更多. 熱力學中的玻爾茲曼熵定義為可能狀態(tài)數的對數值，它是反映大量分子無序狀態(tài)程度的一個物理量. 熱力學中，任何一個孤立的物理系統其熵只能增加，而不能減少.然而這里的信息熵則相反，它只能減少而不能增加，信息熵為負值.而且，熱力學熵和負熵是互補的，信息的獲得要通過增加熱力學熵來補償.第7頁/共22頁熵與空調節(jié)能的關系 由于一切實際過程都是不可逆的，因此由于過程不可逆所引起的熵產變化永遠是大于零的；而熵流的變化則根據開放系

8、統與外界的能量和質量交換情況可正、可負，也可為零。開放系統的熵變等于熵產于熵流之和，總的變化趨勢有三種情況：如果兩者共同作用使系統熵變等于零，系統處于穩(wěn)定狀態(tài)；如果使系統熵變大于零，系統發(fā)生震蕩與崩潰；如果系統的熵變小于零，系統從一種穩(wěn)定結構向另一種穩(wěn)定結構進化。 熱力學的基本理論是普遍適用的。小到一個能量傳遞與轉換設備，大到整個地球都可以看作上述的開口系統進行分析。 第8頁/共22頁熵與空調節(jié)能的關系 例如對于空調系統的供熱工況的分析，我們通常都習慣說是靠消耗能量來維持一定室內溫度，其實在穩(wěn)定工況下，房間得到的熱量等于傳出的熱量，房間是不消耗能量的，房間維持一定室內溫度是依賴于消耗較高溫度的

9、低熵能量，排除低溫度的高熵能量，即依靠引入負熵流與熵產抵消，維持室內系統熵不變的穩(wěn)定狀態(tài)?？照{系統節(jié)能本質上是盡量減少不可逆造成的熵產，減少負的熵流的消耗。 第9頁/共22頁熵與空調節(jié)能的關系 人類居住的地球實際上是一個依賴吸收來自太陽“負熵流”生存的開放系統。人類對能源的無節(jié)制使用必然造成地球生態(tài)系統熵值增加，引起能源枯竭、地力衰退、溫室效應、水土流失和荒漠化，生態(tài)系統對太陽能（負熵）的吸收能力減弱，人類活動的綜合效應是使正熵增加和負熵減少。要減緩地球上的熵增過程，就要使其與來自太陽的“負熵流”相平衡，人們就要改變用能方式和生活方式，從浪費型向節(jié)約型轉變，從掠奪性的開采利用能量，貪婪地追求物

10、質享受到追求低熵生活的內容與要求。第10頁/共22頁熵與空調節(jié)能的關系 空調系統最大的不合理性是什么？ 按照熱力學第二定律熵分析的觀點，空調系統最大的不合理性就是常規(guī)空調系統靠消耗燃料化學能或電能等高品質能量來維持室內溫度、濕度環(huán)境，高級能干低級活，系統的不可逆性大，熵產大。第11頁/共22頁熵與空調節(jié)能的關系 同樣屬于消耗高品質能量，為什么熱泵供暖就變的較為合理了呢？ 原因在于熱泵供暖以消耗少量高級能量為代價獲得了更多的冷量和熱量，使得輸出熵增大，負熵流減小，與之平衡的熵產也減小，所以較消耗燃料化學能或電能將其直接轉變成熱能加以利用要合理，是將來應提倡和發(fā)展的能源利用方式。具有熱回收的熱泵機

11、組能夠做到冷熱兼用，使消耗的負熵流進一步減小，就更為合理了。 第12頁/共22頁熵與空調節(jié)能的關系 空調系統轉換和輸配環(huán)節(jié)的節(jié)能原則和措施 空調系統較之制冷機組的本質差別，實際上就是通過增加轉換環(huán)節(jié)和輸配管網擴展了其蒸發(fā)器和冷凝器的作用范圍。但是隨著輸配管網的增大和轉換環(huán)節(jié)的增加，增加了輸配能耗和傳熱溫差，使得空調系統的不可逆性增加，系統熵產增加。特別是輸配能耗所消耗的是高級能量，由于克服摩擦最終轉換為低級能量-熱能，這是一部份很大的損失。據統計輸配能耗已占空調系統能耗的30%，此時再去千方百計的提高制冷機的性能系數，意義已經不大第13頁/共22頁熵與空調節(jié)能的關系 以往人們對于傳熱溫差和輸配

12、能耗的影響并不重視，因為這兩種損失并不是能量的數量損失，而是能量的質量損失，在傳統的熱力學第一定律能量分析法中是體現不出的，而熱力學第二定律熵分析方法卻將其看作真正的能量損失。第14頁/共22頁熵與空調節(jié)能的關系 按照熱力學的節(jié)能理念，空調系統節(jié)能就是要減少轉換環(huán)節(jié)，減少傳熱溫差，因為溫差越大、系統的不可逆性越大、熵產越大。目前常規(guī)空調系統的室內溫度為27，而制冷機蒸發(fā)溫度為0左右，有27的溫差，而溶液吸收式制冷、毛細管輻射供冷和獨立新風系統恰恰是降低了傳熱溫差，因此是一種符合熱力學節(jié)能原則的節(jié)能措施。 第15頁/共22頁熵與空調節(jié)能的關系 對于熱電聯供或熱電冷聯供技術，雖然符合能量梯級利用原

13、則，但在輸送過程中消耗了大量能量，加上隨著供熱、供冷規(guī)模的擴大帶來的調控困難、沿途損失，其優(yōu)勢會降低。因此在確定供熱、供冷方式時一定要具體分析，不能簡單認為集中的規(guī)模越大，就一定節(jié)能。隨著社會發(fā)展人們的個性化要求會越來越高，因此除非大型公共建筑，對于居住建筑和辦公建筑，就地處理、分散的空氣源熱泵系統的應用可能會越來越多。第16頁/共22頁熵與空調節(jié)能的關系 節(jié)能措施也是要花費代價的，合適的地方要采用合適的能量，適合分散使用的能量，就沒有必要集中起來大規(guī)模使用，對于空調系統的任何一項節(jié)能措施都有其適用條件和范圍，應用過程中一定要進行客觀、公正的評價與分析。第17頁/共22頁熵與空調節(jié)能的關系 （1）隨著節(jié)能和環(huán)保意識的不斷增強,節(jié)能理論和觀點也在不斷進步和深化,應該改變以往只看數量,不看質量的簡單節(jié)能理念.利用熱力學第二定律“熵”的觀點指導空調系統節(jié)能。 第18頁/共22頁熵與空調節(jié)能的關系 （2）按照不平衡熱力學