生活中的热力学

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生活中的热力学

摘要：生活中的热力学现象无处不在，热力学现象的本质和原理亦来自生活。其实我们身边经常可以看到很多和热力学有关的现象。热力学第零定律、热力学第一定律、热力学第二定律、热力学第三定律是热力学的基本定律，高压锅、空调、电冰箱是生活中常见的用电器。 关键词：热力学 定律

热力学第一定律也叫能量不灭原理，就是能量守恒定律。它指出，热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值不变。

热力学第一定律的另一种表述是：第一类永动机是不可能造成的。表征热力学系统能量的是内能，通过做功和传热，系统与外界交换能量，使内能有所变化。根据普遍的能量守恒定律，系统由初态Ⅰ经过任意过程到达终态Ⅱ后，内能的增量ΔE应等于在此过程中外界对系统传递的热量Q和系统对外界做功W之差，即 EⅡ－EⅠ＝ΔE＝Q－W

或 Q＝ΔE＋W

这就是热力学第一定律的表达式。对于无限小过程，热力学第一定律的微分表达式为

dQ＝dE＋dW

其中，E是态函数，dE是全微分；Q、W是过程量，dQ和dW只表示微小量并非全微分，用符号d以示区别。又因ΔE或dE只涉及初、终态，只要求系统初、终态是平衡态，与中间状态是否是平衡态无关。

热力学第二定律一般有两个表述：

1.开尔文表述：不可能制成一种循环动作的热机，只从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的功而不产生其他影响。

2.克劳休斯表述：热量不可能自动地从低温物体传到高温物体。

其实这两种表述是等价的，我们知道自然界中的各种不可逆过程都是互相关联的。而这两种表述的区别在，克氏表述指出：热传导过程是不可逆的；开氏表述指出：功变热（确切地说，是机械能转化为内能)的过程是不可逆的。两种表述均指出在自然界中任何的过程都不可能自动地复原，要使系统从终态回到初态必


需借助外界的作用，不可能做到“不引起其他变化”。热力学第二定律是一条关于方向性的定律，开尔文曾据此推测宇宙内所有的变化都会沿着有去无回的方向进展，他提出“时间是有箭头的”，这也是最初的用热力学对生命本质做出的解释。

下面我们来讨论一下常见电器的工作原理。

1. 高压锅工作原理：密封在高压锅里面的水经加热慢慢达到对应的温度压力下的饱和水，这个过程为预热阶段，所吸收的热量称为液体热。继续加热处于湿蒸汽状态，在此过程中对应的温度压力不变，称为饱和压力和饱和温度，一直到高压锅里面的水加热成干饱和蒸汽，这个过程称为气化阶段，所吸收的热量称为汽化潜热。继续对干饱和蒸汽加热，达到过热状态，即得到过热蒸汽。这主要是高压锅内部水和水蒸气的变化情况。每个高压锅都有对应的工作压力和压力释放阀动作值，也就是说过热蒸汽继续加热，压力阀外部压力和重力之和与内部气体的压力相平衡的时候就会将压力阀间歇性的顶起来，在内外压力差变化的时候内部高温高压蒸汽不断地排出去，里面的蒸汽比容将会随着时间的加长增大，里面的食物主要是靠着一定时间的高温高压蒸汽的作用煮烂煮熟。

2.空调制冷原理：空调也是我们生活中随处可见的制冷制热器。它主要是利用工质在压缩膨胀过程中吸热放热来实现制冷制热的。空调器通电后，制冷系统内制冷剂的低压蒸汽被压缩机吸入并压缩为高压蒸汽后排至冷凝器。同时轴流风扇吸入的室外空气流经冷凝器，带走制冷剂放出的热量，使高压制冷剂蒸汽凝结为高压液体。高压液体经过过滤器、节流机构后喷入蒸发器，并在相应的低压下蒸发，吸取周围的热量。同时贯流风扇使空气不断进入蒸发器的肋片间进行热交换，并将放热后变冷的空气送向室内。如此室内空气不断循环流动，达到降低温度的目的。

3.热泵制热工作原理：热泵制热是利用制冷系统的压缩冷凝器来加热室内空气。空调器在制冷工作时，低压制冷剂液体在蒸发器内蒸发吸热而高温高压制冷剂在冷凝器内放热冷凝。热泵制热是通过电磁换向，将制冷系统的吸排气管位置对换。原来制冷工作蒸发器的室内盘管变成制热时的冷凝器，这样制冷系统在室外吸热向室内放热，实现制热的目的。

4.电冰箱的工作原理：以单门电冰箱为例，电冰箱由箱体、制冷系统、控制


系统和附件构成。在制冷系统中，主要有压缩机、冷凝器、蒸发器和毛细管节流器四部分，自成一个封闭的循环系统。其中蒸发器安装在电冰箱内部的上方，其他部件安装在电冰箱的背面。系统里充灌了一种叫“氟里昂”的物质作为制冷剂，在零下29.8℃就蒸发变成气体，同时吸收冰箱内的热量。氟里昂在蒸发器里由低压液体汽化为气体，吸收冰箱内的热量，使箱内温度降低。因此放入冰箱内的任何食品，都要被它吸走热量而降低温度。当压缩机运转后，变成气态的氟里昂被压缩机吸入，靠压缩机做功把它压缩成高温高压的气体，再排入冷凝器。在冷凝器中氟里昂不断向周围空间放热，逐步凝结恢复成液体。这些高压氟里昂液体经过过滤器过滤后，又穿过只有几根头发丝粗细的毛细管回到蒸发器。高压液态的氟里昂一进入蒸发器，体积突然膨胀，又迅速地吸热汽化。就这样，冰箱利用电能做功，借助制冷剂氟里昂的物态变化，如此周而复始地循环，使冰箱内温度降低到需要的数值，以达到制冷目的。冰箱里有个感温器件，紧贴在蒸发器的表面。当压缩机停机时，由于蒸发器表面温度回升，感温器件就推动相应的机构，接通压缩机电机的电路，压缩机开始工作；温度下降到需要值时，压缩机即停机。通过对压缩机的开停控制，实现自动控制温度。

5. 太阳能热水器的制热原理：太阳能热水器是利用太阳能来加热的热水器。如果把水作为加热物体，经过太阳光线照射，使水分子得到较多的动能，从而使分子运动加剧，水的温度就会提高，太阳能热水器就是根据这个原理制成的。太阳能热水器利用多个真空玻璃管集热，管上都涂有黑色物质，让集热管能吸收更多的太阳能，管中的冷水经过太阳光线的照射（主要是太阳光中的红光和红外线），使水分子得到较多的动能，从而使分子运动加剧，水的温度就会提高，从而使管中的水加热，热水上流，输入贮水器内，贮水器内的冷水流入加热管中，再被加热，如此循环，贮水器内再由管道输出供用户使用。将加热管做成双层玻璃真空管，使吸收进来的太阳能（热能）减少传导或辐射损失，大大提高了太阳能的吸收效率。



参考文献：

[1]《热物理学基础[M]》 包科达 著 北京高等教育出版社，2001．

[2]《热力学·统计物理(第3版)[M]》 汪志诚 著 北京高等教育出版社.2003． [3] 《大学物理上册（第2版）》 芶秉聪 胡海云 主编 国防工业出版社.2010.

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