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热力学的基础定律

Date: 2019-06-10

自然界存在着各种形式的能量,本文中涉及的主要是工质本身的内能,外力对工质做功的机械能,工质和周围环境进行热量交换的热能。 “内能”是指工质内部分子由于“布朗运动“具有的动能以及分子之间相互吸引的位能之总和,故内能与工质的状态有着非常密切的关系,工质的状态(如相态,温度,体积,压力等)发生变化,工质内能的数量也随之改变。 关于“能量”最普遍,最基本的定律之一是“能量守恒定律”,该定律的表述是“存在于自然界的能量既不会自然地消失,也不能人为创造,能量只能从一种形式转换为另一种形式存在于自然界”。热力学第一定律是能量守恒定律的一种表达方式,它表征工质的内能,机械能及热能之间互相转换关系的定律。其能量守恒方程式如下: Q= ΔU+AL Q--外界与工质交换的热量,正数为外界向工质输入热量,负数表明工质对外界放出热量; L--工质对外界输出的机械功,如果是负数,则表明工质接受外界的机械功(压缩功); ΔU-工质内能的变化值。 假定理想气体分子之间没有任何作用力,则理想气体间的位能可以忽略不计,其内能完全由分子的动能所决定。而分子的动能是决定理想气体表象温度的内因,故理想气体的内能与其比容或压力无关,仅仅取决于自身温度的高低,即:ΔU=Сv.ΔT,显然,系数Сv是理想气体表象温度变化值ΔT与内部分子总动能改变量ΔU的比值,称为理想气体的比能。按照热力学第一定律的原则,要想改变理想气体(工质)的表象温度,必须对工质输入(或攫取)热量,或者工质接受外界输入(或向外界输出)机械功。 热力学第二定律表征机械能转换为热能的不可逆性。在能量相互转换中,机械能可以全部转换为热能,但热能不可能全部转换为机械能,或者说,热力学第二定律的定义是“不消耗一定的外功(如机械能),热量不可能自发地从低温物体向高温物体”。因此要在温度试验箱中实现低温环境,必须要消耗外部的功,其过程是:首先通过电动机将电能转换为机械能,再通过压缩机将机械能转换为工质的内能(动能和位能),然后通过工质相态的变化,实现与外界的热转换,使箱体内的循环气流变冷。在这个电能--机械能--热能的不可逆转化过程中,总的能量转换效率小于1。












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