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1、热力学定律的应用【摘要】本文主要是从热力学定律的本质为出发点，而后分别简要的介绍了三大热力学定律在各个学科领域内得到的广泛地应用。【关键词】热力学定律、本质、应用【Abstract】This article mainly from the nature of the second law of thermodynamics as a starting point, and then briefly introduces respectively the three laws of thermodynamics in various disciplines should be extensive
2、ly【Key words】second law of thermodynamics, nature ，application【引言】热力学定律是人们在生活实践，生产实践和科学实验的经验总结，它们既不涉及物质的微观结构，也不能用数学加以推导和证明。但它的正确性已被无数次的实验结果所证实。而且从热力学严格地导出的结论都是非常精确和可靠的。有关该定律的实质和应用是本文讨论的重点。热力学第一定律即能量守恒定律，利用它可解决各种变化过程中的能量守恒问题；热力学第二定律是有关热和功等能量形式相互转化的方向与限度的规律，进而推广到有关物质变化过程的方向与限度的普遍规律；而热力学第三定律的确立，可以由热性质计
3、算物质在一定状态下的规定熵，实现了完全由热性质判断化学变化的方向。由于在生活实践中，自发过程的种类极多，热力学定律的应用非常广泛，诸如热能与机械能的传递和转换、流体扩散与混合、化学反应、燃烧、辐射、溶解、分离、生态等问题，本文将做相关介绍。1. 热力学定律的实质1.1、热力学第一定律的实质热力学第一定律的实质是自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量的总和不变。能量守恒与转换定律在热力学上的一种特定应用形式。它说明了热能与机械能互相转换的可能性及其数值关系。自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能
4、从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数量保持不变。该定律就称为热力学第一定律，也称为能量转换与守恒定律，这一定律也被表示为：第一类永动机（不消耗任何形式的能量而能对外做功的机械）是不能制作出来的。2.2数学表达式2.2.1内能定理将能量守恒与转换定律应用于热效应就是热力学第一定律，但是能量守恒与转化定律仅是一种思想，它的发展应借助于数学。马克思讲过，一门科学只有达到了能成功地运用数学时，才算真正发展了。另外，数学还可给人以公理化方法，即选用少数概念和不证自明的命题作为公理，以此为出发点，层层推论，建成一个严密的体系。热力学也理应这样的发展起来。所以下一步
5、应该建立热力学第一定律的数学表达式。第一定律描述功与热量之间的相互转化，功和热量都不是系统状态的函数，我们应该找到一个量纲也是能量的，与系统状态有关的函数（即态函数），把它与功和热量联系起来，由此说明功和热量转换的结果其总能量还是守恒的。在力学中，外力对系统做功，引起系统整体运动状态的改变，使系统总机械能（包括动能和外力场中的势能）发生变化。系统状态确定了，总机械能也就确定了，所以总机械能是系统状态的函数。而在热学中，煤质对系统的作用使系统内部状态发生改变，它所改变的能量发生在系统内部。内能是系统内部所有微观粒子（例如分子、原子等）的微观的无序运动能以及总的相互作用势能两者之和。内能是状态函数
6、，处于平衡态系统的内能是确定的。内能与系统状态之间有一一对应的关系。从能量守恒原理知：系统吸热，内能应增加；外界对系统做功，内能也增加。若系统既吸热，外界又对系统做功，则内能增加应等于这两者之和。为了证明内能是态函数，也为了能对内能做出定量的定义，先考虑一种较为简单的情况绝热过程，即系统既不吸热也不放热的过程。焦耳做了各种绝热过程的实验，其结果是：一切绝热过程中使水升高相同的温度所需要做的功都是相等的。这一实验事实说明，系统在从同一初态变为同一末态的绝热过程中，外界对系统做的功是一个恒量，这个恒量就被定义为内能的改变量，即（内能定理）因为仅与初态、末态有关，而与中间经历的是怎样的绝热过程无关，
7、故内能是态函数。2.2.2热力学第一定律的数学表达式 若将推广为非绝热过程，系统内能增加还可来源于从外界吸热Q，则 （热力学第一定律一般表达式）这就是热力学第一定律的数学表达式。前面已讲到，功和热量都与所经历的过程有关，它们不是态函数，但二者之和却成了仅与初末状态有关，而与过程无关的内能改变量了。1.2热力学第二定律的实质1.2.1可逆过程与不可逆过程一个热力学系统，从某一状态出发，经过某一过程达到另一状态。若存在另一过程，能使系统与外界完全复原(即系统回到原来的状态，同时消除了原来过程对外界的一切影响)，则原来的过程称为“可逆过程”。反之，如果用任何方法都不可能使系统和外界完全复原，则称之为
8、“不可逆过程”。可逆过程是一种理想化的抽象，严格来讲现实中并不存在(但它在理论上、计算上有着重要意义)。大量事实告诉我们：与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆过程。1.2.2对于开氏与克氏的两种表述的分析克氏表述指出：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。两种表述其实质就是分别挑选了一种典型的不可逆过程，指出它所产生的效果不论用什么方法也不可能使系统完全恢复原状，而不引起其他变化。请注意加着重号的语句：“而不引起其他变化”。比如，制冷机(如电冰箱)可以将热量Q由低温T2处(冰箱内)向高温T1处(冰箱外界对制冷机做了电功W而引起了变化，并且高
9、温物体也多吸收了热量Q(这是电能转化而来的)。这与克氏表述并不矛盾。1.2.3不可逆过程几个典型例子例1（气体向真空自由膨胀) 如图1所示，容器被中间的隔板分为体积相等的两部分：A部分盛有理想气体，B部分为真空。现抽掉隔板，则气体就会自由膨胀而充满整个容器。例2(两种理想气体的扩散混合) 如图2所示，两种理想气体C和D被隔板隔开，具有相同的温度和压强。当中间的隔板抽去后，两种气体发生扩散而混合。例3 焦耳的热功当量实验。这是一个不可逆过程。在实验中，重物下降带动叶片转动而对水做功，使水的内能增加。但是，我们不可能造出这样一个机器：在其循环动作中把一重物升高而同时使水冷却而不引起外界变化。由此即
10、可得热力学第二定律的“普朗克表述”。再如焦耳-汤姆生(开尔文)多孔塞实验中的节流过程和各种爆炸过程等都是不可逆过程。1.2.4热力学第二定律的含义对上面所列举的不可逆过程以及自然界中其他不可逆过程，我们完全能够由某一过程的不可逆性证明出另一过程的不可逆性，即自然界中的各种不可逆过程都是互相关联的。我们可以选取任一个不可逆过程作为表述热力学第二定律的基础。因此，热力学第二定律就可以有多种不同的表达方式。但不论具体的表达方式如何，热力学第二定律的实质在于指出：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，并指出这些过程自发进行的方向。 热力学第二定律，也可以确定一个新的态函数熵。可以用熵来对第二定律
11、作定量的表述。 第二定律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，由此可见，热力学系统所进行的不可逆过程的初态和终态之间有着重大的差异，这种差异决定了过程的方向，人们就用态函数熵来描述这个差异，从理论上可以进一步证明: 可逆绝热过程：Sf=Si， 不可逆绝热过程：SfSi，式中Sf和Si分别为系统的最终和最初的熵。也就是说，在孤立系统内对可逆过程，系统的熵总保持不变；对不可逆过程，系统的熵总是增加的。这个规律叫做熵增加原理。这也是热力学第二定律的又一种表述。熵的增加表示系统从几率小的状态向几率大的状态演变，也就是从比较有规则、有秩序的状态向更无规则，
12、更无秩序的状态演变。熵体现了系统的统计性质。第二定律在有限的宏观系统中也要保证如下条件：(1)该系统是线性的；(2)该系统全部是各向同性的。1.3热力学第三定律的实质热力学第三定律是对熵的论述，一般当封闭系统达到稳定平衡时，熵应该为最大值，在任何过程中，熵总是增加，但理想气体如果是等温可逆过程熵的变化为零，可是理想气体实际并不存在，所以现实物质中，即使是等温可逆过程，系统的熵也在增加，不过增加的少。 在绝对零度，任何完美晶体的熵为零；称为热力学第三定律 理论上所能达到的最低温度，在此温度下物体没有内能。把-273.15定作热力学温标(绝对温标)的零度，叫做绝对零度（absolute zero）
13、。 热力学温标的单位是开尔文（K）。2. 热力学定律的应用2.1热力学第一定律的适用范围热力学第一定律是自然界的一个普遍规律，适用于一切形式的能量，即对任意气体、 封闭系统 、任意过程均适用。2.1.1 热力学第一定律的一些典型应用一、热力学第一定律在估算柴油机冷却水量中的应用船上所用 的发电机组柴油机大多采用 四冲程中高速柴油机 ,其冷却系统的功能是将柴油机在运行过程中产生的热量用冷却水带走。 冷却水量的多少取决于柴油机在运行过程中需要冷却的部件中需要带走的热量的多少 , 热力学第一定律指出 ,能量不能产生也不会消灭 ,但可以从一种形式转化为另 一种形式 ,其实质是能量转换及守恒定律。对柴油
14、机进行热分析: 持续运行的柴油机的热系统是一个稳态的开口系统 ,处在动态的平衡中。 柴油机燃烧柴油 ,把柴油的化学能转化为热能 ,这些热能一部分转化为机械能输出 ,一部分以辐射的形式被空气带走 ,一部分由排出的废气带走 ,还有一部分就由 冷却水带走。 所以不管柴油机内部的冷却系统如何复杂 ,把这几部分的能量估算出来 ,就能得出 需要由冷却水带走的热量1。二、热力学第一定律在化工过程中的应用化工生产过程常常要涉及系统的能量衡算而这些衡算要遵循能量守恒定律 。通过对开放体系、封闭体系及稳定状态稳定流动能量方程的讨论 ,阐明热 力学第一定律在化工生产计算的应用反应温度不同其产物也不相同,从而说明 在
15、化工生产的同时对原料反应条件及产物都要进行适当的物理变化处理:如原 料的 破碎、分级、溶解、提纯、改变温度、压力、结构、组成和相态以满足反应要求,其中温度是一个非常重要的控制条件。因几乎所有的化学反应过程都需要控制在一定的温度下进行.为了达到和保持所要求的温度 ,反应物在进入反应 器前常需加热或冷却到一定温度，所以在生产过程中,反应物需要吸收或放出一定的热量 ,这就要求环境对反应系统输入能量或系统对环境物出能量，确保化工 生产过程的顺利进行.那如何设计计算这部分能量呢？我们采用了热力学方程来 解决这一间题；而热力学方程是建立在热力学第一定律基础上的。故热力学第一 定律在化工生产中被应用2。三、
16、热力学第一定律在静电中的应用若将热力学第一定律中所表述的系统的内能扩展为一切能量,则热力学第一 定律就是能的转化和守恒定律 ,它是反映物质运动及其转化的一条自然界的普遍规律。它明确地告诉我们自然界间各种不同的运动形式总是不断地互相转化 , 且在这一过程中总的能量保持不变。据此,让我们用其讨论静电场的能量问题 , 我们的研究系统由静电场和电荷组成。在静电能场问题中,系统的内能就是系统 的电势能 ,并且在这种系统中没有热交换。现行中学管理教材在对电势能的处 理时,采用了与重力做功类此的方法 ,无疑是正确的,但由于电荷有正负之分 , 所以情况要复杂些 ,若能辅以上述方法进行教学 ,将热力学第一定律引
17、入电场 , 直接给出功能关系 ,使学生在应用热力学第一定律时 ,学会教材内容并建立 “系统”的观念教学实践表明 ,采用了上述方法进行教学 ,收到了较好的教学 效3。四、基于热力学第一定律的热电联产节能分析近年来，能源问题日益为人们所关注。如何有效合理地利用一次能源成为节能措施中重点关注对象 。热电联产是国家一贯鼓励的节能技术，是一种有效的能源利用方法 。 热电联产是针对热电分产而言的，热电联产可以节能但不是在任何情况下都可以节能，为此有必要对它做出科学合理的界定。从节能的角度来看，热电联产是否优于热电分产就看两者在供应的热能和电能完全相等条件下，确定热电联产与热电分产的年节约一次能源量 。以便
18、在进行城市供热规划或考虑兴建热电厂确定合理的技术经济方案，在投运以后规定合理的运行方式，保证热电联产节能效果4。以热力学第一定律为基础，通过建立热电联产和热电分产的能耗分析模型，研究了两者的供热和发电标准煤耗量差，进而得到热电联产节能的最小热电比 。 根据最小热电比，分析研究得到了热电联产供热最小抽气量和最佳热效率，为热电厂的节能改造和合理运行提供了理论基础 。2.2热力学第二定律的适用范围(1)热力学第二定律是宏观规律，对少量分子组成的微观系统是不适用的。(2)热力学第二定律适用于“绝热系统”或“孤立系统”，对于生命体(开放系统)是不适用的。早在1851年开尔文在叙述热力学第二定律时，就曾特
19、别指明动物体并不像一架热机一样工作，热力学第二定律只适用于无生命物质。(3)热力学第二定律是建筑在有限的空间和时间所观察到的现象上，不能被外推应用于整个宇宙。19世纪后半期，有些科学家错误地把热力学第二定律应用到无限的、开放的宇宙，提出了所谓“热寂说”。他们声称：将来总有一天，全宇宙都是要达到热平衡，一切变化都将停止，从而宇宙也将死亡。要使宇宙从平衡状态重新活动起来，只有靠外力的推动才行。这就会为“上帝创造世界”等唯心主义提供了所谓“科学依据”。“热寂说”的荒谬，在于把无限的、开放的宇宙当做热力学中所说的“孤立系统”。热力学中的“孤立系统”与无所不包、完全没有外界存在的整个宇宙是根本不同的。事
20、实上，科学后来的发展已经提供了许多事实，证明宇宙演变的过程不遵守热力学第二定律。正如恩格斯在自然辩证法中指出了“热寂说”的谬误。他根据物质运动不灭的原理，深刻地指出：“放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径指明这一途径，将是以后自然科学的课题转变为另一运动形式，在这种运动形式中，它能重新集结和活动起来。”热力学第二定律和热力学第一定律一样，是实践经验的总结，它的正确性是由它的一切推论都为实践所证实而得到肯定。2.2.1热力学第二定律的一些典型应用一、对时间的理解我们已经知道，热力学第二定律事实上是所有单向变化过程的共同规律，而时间的变化就是一个单向的不可逆过程，对每个人都一样，时间一去不复还
21、，因此还可以这样理解：时间的方向，就是熵增加的方向。这样，热力学第二定律就给出了时间箭头。物理学的进一步研究表明，能量守恒与时间的均匀性有关。这就是说，热力学第一定律告诉我们，时间是均匀流逝的。结果我们看到：热力学第一定律指出，时间是均匀的；热力学第二定律指出，时间是有方向的。这两条定律合在一起告诉我们：时间在向着特定的方向均匀地流逝着。正如一句古诗描述的情景：“长沟流月去无声”。这使得我们可以从另一新的角度来认识时间。二、基于热力学第二定律的换热器最佳清洗周期的确定污垢广泛存在于各种换热器中 ,给换热器的设计、运行、维护带来了一系列的影响。由于污垢随运行时间不断增长 ,使换热器的技术性能逐渐
22、下降 ,因此需要定期地清洗,以恢复换热器的设计性能。清洗周期过长必然使运行费用增加, 而过于频繁的清洗也不经济 ,所以就存在一个最佳的清洗周期。一个最佳清洗周 期对应着最佳的清洗间隔和最佳的清洗时间。许多学者对换热设备的清洗问题进行了大量研究 ,建立了相关损失费用模型 ,得到了换热器的最佳清洗周期。基于热力学第二定律和热经济学原理 ,通过引 入换热器的传火用有效度和传热有效度以及污垢的渐近模型 ,研究换热器的最佳清洗周期,得到了换热器清洗时的总费用表达式 。结果表明,基于热力学第二定律的最佳清洗周期和对应的清洗时的总费用与基于热力学第一定律结果的相对大小取决于火用价和热价的 差异程度最佳清洗周
23、期受到换热器的流型、洁净状态下的传热单元数、冷热流体 热容量比、清洗时间以及清洗过程损失费用等因素的影响 ,其中,冷热流体热容量比和较小的洁净状态下的传热单元数对最佳清洗周期的影响相对较小5。三、基于热力学第二定律的吸收式制冷循环分析氨水吸收式制冷循环热力计算 ,只是从“量”上反映制冷系统热量转换情况及热量利用的总效果 ,不能反映其热力过程的完善程度。为了准确地揭示吸收式制冷系统及其各设备热力过程的完善程度 , 找出 影响系统性能的薄弱环节 , 为系统的改进及热经济优化设计和优化操作明确方向 , 就必须对所研究的系统进行全面的火用分析 。采用热力学第二定律的分析方法,对氨-水吸收式制冷系统内各
24、设备及系统热力循环过程进行深入的分析和研究；发现了系统内能量转换过程中的薄弱环节 ,为系统的热经济优化设计及优化操作明确了方向6。四、基于热力学第二定律的直喷式柴油机性能分析以往我们进行内燃机工作过程研究的主要依据是热力学第一定律,它确定了 热功转换时数量上的当量关系。热力学第二定律说明了实现热功转换的条件和方 向 ,它度量能量品质的优劣。对系统进行热力学第二定律分析,可以估计系统内能量的作功能力、能量损失发生的方式和不可逆性的大小 ,从而判断实际过程与理想过程完善程度的差距。故以热力学第一定律数值模拟为基础,应用热力学第 二定律分析一台直喷式柴油机缸内工作过程的能量可用性 ,定量地计算可能、
25、不可逆性随曲轴角度的变化和整个工作循环的积分值。研究循环喷油量、燃烧开始角、燃烧持续期和燃烧品质指数对能量可用性和热力学第一定律、第二定律热效 率的影响。显示这种分析方法可以用于气缸内部工作过程的优化7。五、热力学第二定律在确定可燃气体爆炸极限中的应用近年来，由于可燃气体爆炸造成的火灾和事故频发，做好防火防爆工作尤为重要。而掌握可燃气体的爆炸极限可以为正确评定可燃气体在生产、储运过程中的火灾危险程度提供科学的依据，是做好防火防爆工作的基本前提。从热力学第二定律出发分可燃气体的爆炸过程，借助孤立熵增原理，建立单组分气体爆炸极限的计算公式，进行了实例验算，对计算结果的普适性和精确度进行了分析评价，
26、从而为可燃气体的爆炸极限计算提供了科学的定量依据8。2.3热力学第三定律的适用范围热力学第三定律是在低温现象的研究中总结出来的一个普遍规律。并且绝对零度虽然不能达到，但可以无限趋近。2.3.1热力学第三定律的一些典型应用通过热力学第三定律人们意识到虽然绝对零度不能达到，但可以无限趋近，而在无限接近绝对零度时，一些物体会出现不同于正常的性质。故人们根据这一现象研制出了许许多多的半超导体、超导体等等，这些都在现在被广泛的应用各个领域中。【结束】通过本文的阐述，可知热力学定律被广泛的应用到了日常生活，工业生产，等等各个领域中，但在工农业生产和生活中的应用中依然会存在很多问题，随着科技的发展和人类的发
27、展，热力学定律的应用必定将得到更大的进步和改进。【参考文献】1 王 鹏，热力学第一定律在估算柴油机冷却水量中的应用A ，中国船舶工业总公司编，1001-9855( 2005) 05-0044-022 李 性，热力学第一定律在化工过程中的应用，六盘水师专学报 ，1997年第四期3 许中华，热力学第一定律在静电中的应用，玉溪师专学报(自然科学版 )，1988年第四期4 胡春胜、 苏喜庆，基于热力学第一定律的热电联产节能分析，建筑热能通风 空调，2010年12月，第29卷第6期，1003-0344（2010） 06-078-45 吴双应 、 苏 畅 、 李友荣，基于热力学第二定律的换热器最佳清洗周期的确定 ，化工学报 ，2009年2月 第60卷第2期6 徐 士 鸣、袁 一 ，基于热力学第二定律的吸收式制冷循环分析，大连理工 大学学报 ，1998年1月，第38卷第1期7 毕小平、张更云、郑小江、韩树 ，基于热力学第二定律的直喷式柴油机性能分析，装甲兵工程学院学报，1997 年，第11卷第 1期8 车祥辉，热力学第二定律在确定可燃气体爆炸极限中的应用，DOI：10.3969/j.issn.1671-6396.2012.08.008
