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热力学定律的的疑难问题串讲

热力学定律的的疑难问题串讲

作者: 樱_子 | 来源:发表于2023-04-20 10:34 被阅读0次

    一、压缩式电冰箱工作原理(简):

    电冰箱工作流程:压缩机(冰箱外,压缩液化)→ 冷凝器(高温热源,箱体侧面,散热)→ 毛细管(节流)→ 蒸发器(冰箱内,气化吸热制冷)

    具体过程:压缩机工作,将蒸发器内已吸热的低温低气态制冷剂吸入,经气缸压缩后,形成温度为55℃~58℃的高温高压蒸气;蒸汽进入冷凝器,降温放热,液化为常温高压的制冷剂液体(此时温度叫冷凝温度);经冷凝后的制冷剂液体经干燥过滤器滤除水分和杂质后流入毛细管,通过它进行节流降压,制冷剂变为常温、低压的湿蒸气;湿蒸气进入蒸发器,由于蒸发器内压力低于冷凝器压力,液态制冷剂就立即沸腾蒸发,吸收箱内的热量变成低压、低温的蒸气。再次被压缩机吸入,如此不断循环,将冰箱内部热量不断的转移到箱外。

    冷凝器冷却的方式:冷凝器冷却分为自然对流冷却式和强制对流冷却式,其中自然对流冷却是靠周边的气体自然流过冷凝器的表面,使冷凝器的热能发散;强制对流冷却式是利用电风扇强制气体流经冷凝器的表面,从而使冷凝器散热(冷凝器放热说明电冰箱正常工作)。 采用自然对流式冷凝器一般是300L以下的电冰箱, 采用强制对流式冷凝器一般是300L以上的电冰箱。

    制冷本质:利用物态变化过程中的气化吸热、液化放热现象,使气液循环不断地吸热和放热,以达到箱体内制冷的目的。

    说明的热力学规律:说明热量可以自发地从高温热源传递到低温热源,而不能自发地从低温热源传递到高温热源,如果要传递就会产生其他影响,如在冰箱工作中,这个影响就是压缩机要工作,需要消耗电能。所有制冷剂工作原理都相似,都说明了热传递中的方向性,说明了热学现象中的不可逆过程。

    二、热力学第二定律的表达形式及其等价性的推导

    热力学第二定律的表述:热力学第二定律表达的是热学现象中的方向性问题,根据热学现象中的具体不同过程,有不同的表达。克劳修斯从热传递的方向性来表达,其为:热量不能自发地从低温物体传递到高温物体,或者说,不可能使热量从低温物体传递到高温物体,而不引起其他变化。开尔文从机械能与内能转化过程的方向性来表达,其为:不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不产生其他变化。

    热力学第二定律的解释:克劳修斯表述表明,热量可以自发从高温传递到低温,但不能反过来成立,如果想要低温传到高温,会引起其他变化,如制冷机的原理就是这样。开尔文表述表明,可以自发地通过做功把机械能转化为内能,相反地不能成立,即不能自发地从单一热源吸收热量全部用来做功,如要全部做功,必然产生其他影响。如在气体的等温膨胀中,如果不考虑摩擦损耗,气体吸收热量,全部用来对外做功,但产生了其他影响——气体膨胀了,压强减小,不能恢复到原来状态,热机不能循环工作——如要循环工作,必须要额外压缩气缸做功,所以热机的效率不能使100%。因此,热力学第二定律还可以表示为热机的效率达到100%是不肯能的,或者说第二类永动机是不可能制造出来的。两种机器工作能量的转移或转化的情况如下:

    两种表述等价性的推导:我们用反证法说明克劳修斯和开尔文的两种表述是等价的。“不可能使热量从低温物体传向高温物体而不引起其他变化”,这是克劳修斯的表述。假设克劳修斯的表述不对,热量Q可以通过某种方式由低温热源T_{2} 传递到高温热源T_{1} 而不产生其他影响。那么,我们可以在这两个热源之间设计一个热机,令它在一个循环中从高温热源T_{1} 处吸收热量Q_{1} =Q ,其中部分用来对外做功,另一部分Q_{2} 在低温热源T_{2} 处放出,如图所示。这样总的结果是高温热源没有发生任何变化,而只是单一的低温热源吸收热量Q-Q_{2} 全部用来做功W。这是违反开尔文表述的,开尔文的表述是:“不可能从单一热源吸取热量,使之完全变为有用功而不引起其他影响”。因此,如果克劳修斯的表述不对,则开尔文的表述也就不对,若克劳修斯的表述成立,则开尔文的表述也成立,两种表述是等价的。

    三、粤教版选修性必修三P67的讨论与交流、以及其他问题的讨论

    1、讨论与交流:有人设想如图所示的装置(假设活塞与缸壁无摩擦),并提出“理想气体可从单一热源吸热并进行等温膨胀,从而实现百分之百对外做功”。这引发了同学们的争论:有同学认为是可能实现的,有的同学则认为不可能,你赞同哪一种观点?为什么?

    2、教材回答的逻辑:假设能实现等温膨胀,根据热力学第一定律,则气体把吸收的热量完全用来做功,也就是百分之百做功,不违背热力学第一定律,似乎可以实现;转念一想,假如这个装置可以实现等温膨胀,根据玻意耳定律,气体体积变大,压强则变小,这与事实相违背,这个装置是等压情况,具体是等压膨胀,而不是等温膨胀。也就是说,这个过程不违背热力学第一定律,但违背了气体实际发生的过程,不符合气体实验定律,所以此装置不能实现等温膨胀。

    3、等温膨胀的装置:

    此装置与上面装置不同,可以实现等温膨胀,原因在于一方面它不违反热力学第一定律,不考虑摩擦损耗,气体将吸收的热量全部用来做功,另一方面不违反气体的实验定律,根据玻意耳定律,气体膨胀,压强减小,由于有外力作用于杆,可以实现压强减小的情况,是实际中可以进行的热力学过程,也就是说它也同时遵循热力学第二定律。此题答案为C选项。

    4、理想气体的自由扩散过程(即向真空扩散,也叫自由膨胀):

    分析:从力的角度分析,气体向真空扩散是自由扩散,不需要力,所以不做功;从能量的角度分析,在真空中,理想气体分子的碰撞看成弹性碰撞,分子间的能量保持不变,没有消耗能量,也就没有对外做功;当然如果有活塞,就会对活塞做功,把气体分子的内能转化为活塞的动能与摩擦的内能,活塞连接大气时,还要克服大气压力做功。本题答案如下:

    四、热力学第三定律、第四定律

    1、热力学第三定律:热力学第三定律是热力学的基本理论,它是一个关于低温现象的定律。由于热力学定律都是大量实验与观察事实的概括,因此对定律的叙述有许多种说法,但各种说法的本质都是相互一致的,且都是等效的。下面来介绍几种有代表性的说法:

    第一种说法:当温度趋近于绝对零度时,凝聚系统(即固体和液体)在可逆定温过程中熵的变化等于零。第二种说法:用任何方法都不能使系统达到绝对零度。

    不能达到绝对零度的原因:假如当系统达到绝对零度时,分子将停止一切运动,即没动能,熵也能达到理论上的最低值。但现实世界中,即使在宇宙的深处,达到绝对零度也是不可能的,只能无限地接近所谓的终点。

    2、热力学第四定律:如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同),则它们彼此也必定处于热平衡。这一结论也称做“热力学第零定律”。

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