生活中的热力学

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1、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

2、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U后，内能的增 量厶E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 EH- EI = E= Q- W或 Q = E+ 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4E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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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 C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

8、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，

9、 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， 20012 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.