生活中的熱力學(xué)

1、生活中的熱力學(xué) 摘要：生活中的熱力學(xué)現(xiàn)象無處不在， 熱力學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)和原理亦來自生活。 其 實(shí)我們身邊經(jīng)?？梢钥吹胶芏嗪蜔崃W(xué)有關(guān)的現(xiàn)象。 熱力學(xué)第零定律、 熱力學(xué)第 一定律、熱力學(xué)第二定律、 熱力學(xué)第三定律是熱力學(xué)的基本定律， 高壓鍋、空調(diào)、 電冰箱是生活中常見的用電器。關(guān)鍵詞 ：熱力學(xué) 定律熱力學(xué)第一定律也叫能量不滅原理，就是能量守恒定律。它指出，熱能可以 從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體，也可以與機(jī)械能或其他能量相互轉(zhuǎn)換，在傳遞和 轉(zhuǎn)換過程中，能量的總值不變。熱力學(xué)第一定律的另一種表述是：第一類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的。表征熱力 學(xué)系統(tǒng)能量的是內(nèi)能，通過做功和傳熱， 系統(tǒng)與外界交換能量， 使內(nèi)能有

2、所變化。 根據(jù)普遍的能量守恒定律，系統(tǒng)由初態(tài)I經(jīng)過任意過程到達(dá)終態(tài)U后，內(nèi)能的增 量厶E應(yīng)等于在此過程中外界對(duì)系統(tǒng)傳遞的熱量 Q和系統(tǒng)對(duì)外界做功W之差，即 EH- EI = E= Q- W或 Q = E+ W 這就是熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式。對(duì)于無限小過程，熱力學(xué)第一定律的微分 表達(dá)式為dQ= dE+dW其中，E是態(tài)函數(shù)，dE是全微分；Q W是過程量，dQ和dW只表示微小量并 非全微分，用符號(hào)d以示區(qū)別。又因4E或dE只涉及初、終態(tài)，只要求系統(tǒng)初、 終態(tài)是平衡態(tài)，與中間狀態(tài)是否是平衡態(tài)無關(guān)。熱力學(xué)第二定律一般有兩個(gè)表述：1. 開爾文表述：不可能制成一種循環(huán)動(dòng)作的熱機(jī)，只從單一熱源吸取熱量， 使之

3、完全變成有用的功而不產(chǎn)生其他影響。2. 克勞休斯表述：熱量不可能自動(dòng)地從低溫物體傳到高溫物體。 其實(shí)這兩種表述是等價(jià)的，我們知道自然界中的各種不可逆過程都是互相關(guān)聯(lián)的。而這兩種表述的區(qū)別在，克氏表述指出：熱傳導(dǎo)過程是不可逆的；開氏表 述指出：功變熱（確切地說，是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 ） 的過程是不可逆的。兩種表述 均指出在自然界中任何的過程都不可能自動(dòng)地復(fù)原，要使系統(tǒng)從終態(tài)回到初態(tài)必 需借助外界的作用，不可能做到“不引起其他變化” 。熱力學(xué)第二定律是一條關(guān)于 方向性的定律，開爾文曾據(jù)此推測(cè)宇宙內(nèi)所有的變化都會(huì)沿著有去無回的方向進(jìn) 展，他提出“時(shí)間是有箭頭的” ，這也是最初的用熱力學(xué)對(duì)生命本質(zhì)做出的

4、解釋。下面我們來討論一下常見電器的工作原理。1. 高壓鍋工作原理： 密封在高壓鍋里面的水經(jīng)加熱慢慢達(dá)到對(duì)應(yīng)的溫度壓力 下的飽和水，這個(gè)過程為預(yù)熱階段，所吸收的熱量稱為液體熱。繼續(xù)加熱處于濕 蒸汽狀態(tài)，在此過程中對(duì)應(yīng)的溫度壓力不變，稱為飽和壓力和飽和溫度，一直到 高壓鍋里面的水加熱成干飽和蒸汽，這個(gè)過程稱為氣化階段，所吸收的熱量稱為 汽化潛熱。繼續(xù)對(duì)干飽和蒸汽加熱，達(dá)到過熱狀態(tài)，即得到過熱蒸汽。這主要是 高壓鍋內(nèi)部水和水蒸氣的變化情況。每個(gè)高壓鍋都有對(duì)應(yīng)的工作壓力和壓力釋放 閥動(dòng)作值，也就是說過熱蒸汽繼續(xù)加熱，壓力閥外部壓力和重力之和與內(nèi)部氣體 的壓力相平衡的時(shí)候就會(huì)將壓力閥間歇性的頂起來，在內(nèi)

5、外壓力差變化的時(shí)候內(nèi) 部高溫高壓蒸汽不斷地排出去，里面的蒸汽比容將會(huì)隨著時(shí)間的加長(zhǎng)增大，里面 的食物主要是靠著一定時(shí)間的高溫高壓蒸汽的作用煮爛煮熟。2.空調(diào)制冷原理：空調(diào)也是我們生活中隨處可見的制冷制熱器。它主要是利 用工質(zhì)在壓縮膨脹過程中吸熱放熱來實(shí)現(xiàn)制冷制熱的。空調(diào)器通電后，制冷系統(tǒng) 內(nèi)制冷劑的低壓蒸汽被壓縮機(jī)吸入并壓縮為高壓蒸汽后排至冷凝器。同時(shí)軸流風(fēng) 扇吸入的室外空氣流經(jīng)冷凝器，帶走制冷劑放出的熱量，使高壓制冷劑蒸汽凝結(jié) 為高壓液體。高壓液體經(jīng)過過濾器、節(jié)流機(jī)構(gòu)后噴入蒸發(fā)器，并在相應(yīng)的低壓下 蒸發(fā)，吸取周圍的熱量。同時(shí)貫流風(fēng)扇使空氣不斷進(jìn)入蒸發(fā)器的肋片間進(jìn)行熱交 換，并將放熱后變冷的空

6、氣送向室內(nèi)。如此室內(nèi)空氣不斷循環(huán)流動(dòng)，達(dá)到降低溫 度的目的。3. 熱泵制熱工作原理：熱泵制熱是利用制冷系統(tǒng)的壓縮冷凝器來加熱室內(nèi)空 氣?？照{(diào)器在制冷工作時(shí)，低壓制冷劑液體在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸熱而高溫高壓制冷 劑在冷凝器內(nèi)放熱冷凝。熱泵制熱是通過電磁換向，將制冷系統(tǒng)的吸排氣管位置 對(duì)換。原來制冷工作蒸發(fā)器的室內(nèi)盤管變成制熱時(shí)的冷凝器，這樣制冷系統(tǒng)在室 外吸熱向室內(nèi)放熱，實(shí)現(xiàn)制熱的目的。4. 電冰箱的工作原理：以單門電冰箱為例，電冰箱由箱體、制冷系統(tǒng)、控制 系統(tǒng)和附件構(gòu)成。在制冷系統(tǒng)中，主要有壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和毛細(xì)管節(jié)流 器四部分，自成一個(gè)封閉的循環(huán)系統(tǒng)。其中蒸發(fā)器安裝在電冰箱內(nèi)部的上方，其 他

7、部件安裝在電冰箱的背面。系統(tǒng)里充灌了一種叫“氟里昂”的物質(zhì)作為制冷劑， 在零下29.8 C就蒸發(fā)變成氣體，同時(shí)吸收冰箱內(nèi)的熱量。氟里昂在蒸發(fā)器里由低 壓液體汽化為氣體，吸收冰箱內(nèi)的熱量，使箱內(nèi)溫度降低。因此放入冰箱內(nèi)的任 何食品，都要被它吸走熱量而降低溫度。當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，變成氣態(tài)的氟里昂被 壓縮機(jī)吸入，靠壓縮機(jī)做功把它壓縮成高溫高壓的氣體，再排入冷凝器。在冷凝 器中氟里昂不斷向周圍空間放熱，逐步凝結(jié)恢復(fù)成液體。這些高壓氟里昂液體經(jīng) 過過濾器過濾后，又穿過只有幾根頭發(fā)絲粗細(xì)的毛細(xì)管回到蒸發(fā)器。高壓液態(tài)的 氟里昂一進(jìn)入蒸發(fā)器，體積突然膨脹，又迅速地吸熱汽化。就這樣，冰箱利用電 能做功，借助制冷劑

8、氟里昂的物態(tài)變化，如此周而復(fù)始地循環(huán)，使冰箱內(nèi)溫度降 低到需要的數(shù)值，以達(dá)到制冷目的。冰箱里有個(gè)感溫器件， 緊貼在蒸發(fā)器的表面。 當(dāng)壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，由于蒸發(fā)器表面溫度回升，感溫器件就推動(dòng)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)，接通 壓縮機(jī)電機(jī)的電路，壓縮機(jī)開始工作；溫度下降到需要值時(shí)，壓縮機(jī)即停機(jī)。通 過對(duì)壓縮機(jī)的開停控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制溫度。5. 太陽能熱水器的制熱原理： 太陽能熱水器是利用太陽能來加熱的熱水器。 如果把水作為加熱物體， 經(jīng)過太陽光線照射， 使水分子得到較多的動(dòng)能， 從而使 分子運(yùn)動(dòng)加劇， 水的溫度就會(huì)提高， 太陽能熱水器就是根據(jù)這個(gè)原理制成的。 太 陽能熱水器利用多個(gè)真空玻璃管集熱， 管上都涂有黑色物質(zhì)， 讓集熱管能吸收更 多的太陽能，管中的冷水經(jīng)過太陽光線的照射（主要是太陽光中的紅光和紅外 線），使水分子得到較多的動(dòng)能，從而使分子運(yùn)動(dòng)加劇，水的溫度就會(huì)提高，從 而使管中的水加熱，熱水上流，輸入貯水器內(nèi)，貯水器內(nèi)的冷水流入加熱管中， 再被加熱， 如此循環(huán)， 貯水器內(nèi)再由管道輸出供用戶使用。 將加熱管做成雙層玻 璃真空管，使吸收進(jìn)來的太陽能（熱能）減少傳導(dǎo)或