我觉得我们的物理教育里,忽视了流体和热力学的学习。我对热力学的印象,就是计算热平衡,比如温度的升高或降低;帕斯卡定律、阿基米德定律,还有我们熟悉的气缸四个冲程。
热力学的很多原理在我们日常应用里非常常见,比如车辆段里用的液压千斤顶、车辆里的空气制动、通风与空调都是热力学的原理。
我说说这本书几个印象深的,实际上,这本书的这块内容,尤其是卡诺循环、热力学第一和第二定律我觉得写得不够清楚,当然也可能是我没理解到位。所以,想继续理解,可能需要再找别的书或高手请教一下。
01 首先就是液压千斤顶。密闭的流体很神奇,压强可以在流体任何方向传递(这实际是个假设)。这是千斤顶的原理。我的疑问反倒是为什么密闭的气体内各处压强相等,比如地球上高处不等的地方压强肯定不一样,空气柱也是有质量的。
由这个想到的也是阿基米德说过一句话,他说给他一个支点,他能把地球翘起来。我则觉得,如果给他一个液压千斤顶,翘地球可能更容易,毕竟他那个假设除了支点,他按下杠杆的距离也很长。而千斤顶只要两个面积比值够大就可以。
02 测量血压。我们血压计测量的是黑套内的压强。因为黑套压缩动脉,所以血液停止流动,然后黑套逐渐放气,使得血液重新流动,此时听诊器通过倾听和读水银柱高度获取收缩压的数值,直到血流声消失,此时获取舒张压的数值。
03 伯努利原理 运动流体的压强与单位体积的动能之和保持不变。这个可以用来解释,为什么往两张纸之间吹气,两张纸靠得更近。又或者往一张纸的上方吹气,纸条会飘上来。因为吹过部分的流体速度更大,而压强就变小。
04 热力学的几大定律
第零定律,处于热平衡状态的两个物体,温度相等。
第一定律,一个系统内能的增加,等于系统获得的热量减去系统做的功。实际还是能量守恒的表达。我觉得这个定律最直观的理解就是一个人的钱要么是自己赚的,要么就是转账来。 朋友觉得我很危险,专门提醒我不要用自然定律来考虑人,那样很容易进入社会达尔文。
第二定律,这本书说得很是绕“不可能存在一台不断循环工作的热机,能够从某个温度的热源得到热量,并将此热量完全转换为功”换个方式说“能量不会从较冷的物体流向较暖的物体,除非有某个其他过程参与”
第三定律,这本书没提,我去理解第二定律的第一种表述的时候,看到的。一起摘录于此:热力学(绝对)零度不能达到。
05 卡路里是啥?有个歌很魔性,“燃烧我的卡路里”,昨天我问了好几个人卡路里是什么意思?有一个接近答案。1卡路里说的是把1克水提高1℃所需要的热量。
06 热力学零度只能无限接近,而不能到达,这个数大约是-273.2℃。所有物体的绝对零度是一样的,那个温度下,物体的分子运动为0,这是办不到的。朱棣文曾经短暂的实现了10的负11次方的温度。这实际就是热力学第三定律。
我就好奇一点:为什么所有物体的绝对零度是一样的?
07 卡诺循环和卡诺效率
氢能源很火,前阵子收集氢能源资料的时候(下回我会专门说说那本氢能源的书以及看完以后的介绍),发现氢能源车又两种玩法。一种还用热机模式,就是把内燃机的汽油换成氢气燃烧,释放热量去做功。这个效率就遵循卡诺效率,大约不到40%。
而还有种高级玩法,就是电解水的逆过程,用一种材质(大部分都叫质子交换膜)把氢气分离成电子和氢离子。然后用导体把电子引走,而把氢离子同进入的氧气发生化学反应。这个过程能产生的电量虽然小,然后并联上很多层交换膜,就可以提高电压。这个效率据说可以达到80%。目前这种质子交换膜主要由巴斯德供货。这个玩法实际上把氢能源当电池来用了。
好了,我认为氢能源未来一定大放光彩,但应用方向可能不会是城市里用的这种新能源车,而是备用电池或房车,作为房车也是移动的备用电源。
想想,用上氢能源的房车,水电就齐活了,那绝对是纯净水。
话回正传,我没太理解卡诺最大效率取决于两个温差,虽然公式能看懂,但总感觉缺点啥。
08熵增定律和热力学第二定律
嗯,这是个悲伤的故事。不过有人跟我说看不懂,那我展开说说。
在卡诺循环里,有部分能量必须在低温下排走,不能做功。那么这部分功或能量去哪了?熵是描述这个损失的量。
由于热力学实在是一门统计物理,《费曼物理学》中说,如果地球毁灭,人类只能留下一句话,他觉得是“物质是原子构成的”。
一盆热水和一盆凉水混合在一起,为什么最后水温一样了,而不是在一盆水里,一半是热的,一半是凉的?物理学家给出解释,这是概率问题。由于分子的无序运动,取得平均值的概率最大。
熵增定律描述的是这个类似的事情。熵,也可以是用来作为“系统无序”的测度。比如,房间不收拾,一定趋于混乱。细胞繁殖,如果没有外力,最后信息复制会出错。人类的衰老和死亡,宇宙最终走向,都是熵增定律在起作用。
热力学第二定律说的就是,系统不可逆。这难道不是一个悲伤的故事?所以,清华高材生会用这定律写歌“多少人曾爱慕你年轻时的容颜,可知谁愿承受岁月无情的变迁”
有人说,人生的意义在于努力对抗熵增。我觉得这把人生说得太吃力了:)
张三慧的《大学物理》,今天回头看,编得真不赖,可是为什么当年《大学物理》我居然没啥印象?