自然现象的热力学原理

文化   2024-08-31 09:33   吉林  

是否注意到这样一些现象或问题:

一个含能几十焦的气球突然破裂,会让人大吃一惊,而人站在太阳下,受到每秒几十焦的热辐射,往往毫无波澜。为何会有这个大的差异?

热力学第二定律表明,相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切可逆循环,热效率相等,与工质无关,而实际情况下,为何在动力循环或制冷循环中,工质的选择却十分重要?

煤的热值约30MJ/kg火药(烟花)的热值约5MJ/kg,但人们为何担心火药(烟花)燃烧过程能量的释放,却不太担心煤燃烧过程能量的释放?

上述热力学问题在已有的热力学理论中是否可以找到答案?如果不能,在工程热力学方程组里是否可以找到解释?

庞加莱在《科学与假设》(Science and Hypothesis)中,以人和虫对维数的认知为例,阐述了“科学的局限性”。他认为,科学理论并不是现实的反应,而是一种假设。同一组现象可以用不同的理论进行同样有效的解释。人们之所以选择这种理论而不选择别种理论,完全是一种协议或约定,不是考虑是否真实。选择的根据主要看是否方便和简单明了。他的这种观点又叫约定主义。

一旦目前的自然定律不能解释现象,就需要寻求新的定律。有人甚至认为,如果没有庞加莱的思想铺路,相对论”等革命性概念不可能迅速地被学界接受。

通过工程热力学方程组中方程四可知,工质的㶲可分为体积功㶲和热量㶲。决定体积功㶲大小的为工质与环境的压差对体积的积分,决定工质热量㶲大小的为工质与环境的温差对熵的积分。

若工质经历两段预定过程达到与环境实现压力p与温度T平衡——第一个过程为绝热膨胀过程:膨胀至与环境压力p0相同,此过程中,由于换热为零,工质的㶲变化完全由体积变化构成。第二个过程为等压换热过程:换热至与环境温度T0相同,此过程中,由于工质的压力与环境相同,体积变化不会导致工质的㶲变化,工质的㶲变化完全由换热构成。最后,工质的㶲则可表示为绝热膨胀体积功㶲等压换热热量㶲之和

若用温熵图上的面积来表示两个过程中工质㶲变化的比例,则如下图所示。其中,0-1过程为等温压缩过程,1-2过程为等容吸热过程,2-3过程为绝热膨胀过程,3-0过程为等压放热过程。

绝热膨胀过程中,由于工质与外界不发生换热,其热量㶲则由等温压缩(0-1)过程工质体积功㶲与等容吸热(1-2)过程工质热量㶲变化之和表示,其比例由图中蓝色面积表示。在等压放热过程中,工质的㶲变化为等压放热(3-0)过程中工质热量㶲变化,其比例由图中青色面积表示。

工质释放的能量中,其体积功㶲(如绝热膨胀过程的体积功㶲)可直接转化为物质的动能,所以更具威力,而热量㶲(如太阳的辐射、煤燃烧释放的能量)虽然同样具有能量的属性,相对而言,往往较温柔,不具备直接的破坏性或较强的威力。

总体而言,不同工质,由于其换热系数、绝热系数、潜热、临界压力等的差异,会不同程度地影响工质与外界直接交换能量的方式以及交换能量的比例,进而影响能量的转化效率。

煤在燃烧过程中,由于能量释放较缓慢,在环境中等压燃烧,释放能量时,无论温度有多高,由于释放的是热量㶲,较温柔。但是,火药在燃烧时,其燃烧释放能量十分迅速,尤其是当火药外面有包裹物时,能量释放的初始阶段,体积膨胀受到限制,压力迅速积聚,并最终释放,进而导致能量释放时体积功㶲的比例大幅升高,破坏性极强。


Cosmos and Us
物理是世界上至高无上的艺术。在这里,我会谈论这个世界中最基本的艺术:一种叫做物理学的艺术。这里有宇宙诞生、基本粒子与宇宙结构、天体塌缩到黑洞、黑洞蒸发的故事。我会从大爆炸说起,直到现在,到……未知的未来……以及谈论科学与我们的生活。
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