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热力学 · 能量如何流动

用能量与热看变化的规则

从温度、压力到熵与循环,用眼睛看热与功来回的路径。

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01状态是一组性质的集合
用系统与边界定下分析范围,把状态看作性质的集合,P-V 平面上的一个点
#气球#保温瓶#高压锅
02压力与温度是分子运动的标尺
分子碰撞即压力,速率平均即温度;热平衡、绝对温度(K)与第零定律
#轮胎气压#体温计#天气气压
03物质的相由压力与温度决定
用 P-T 相图分出固液气,再到 P-v 饱和穹顶与三相点、临界点
#冰融化#水沸腾#干冰
04边界功是 P-V 曲线下的面积
膨胀即做功,W = ∫P dV 是曲线下的面积;含路径依赖与符号约定
#发动机活塞#注射器#自行车打气筒
05能量守恒:dU = Q - W
内能的变化等于进来的热减出去的功;U 是状态量,含绝热、等容与循环
#暖手宝#保温材料#保温瓶
06焓 H=U+PV 在定压下自然出现
H = U + PV。定压的热是 ΔH,开口系流动功是 PV;为什么流动与定压下 H 更自然
#锅炉#暖气#蒸汽管道
07理想气体 PV=nRT,每个过程的轨迹各不相同
PV=nRT 把 P、V、T 绑在一起。等温是双曲线,等压等容是直线,绝热是 PV^γ 更陡的曲线
#气球#潜水气瓶#空调制冷剂
08热机:把热变成功的循环
取得 Q_H,输出功 W,排出 Q_C。循环给出 Q_H = W + Q_C,效率 η = W/Q_H = 1 - Q_C/Q_H
#汽车发动机#喷气发动机#火力发电厂
09热力学第二定律:热是有方向的
热自发地从热到冷。开尔文-普朗克(η<1)与克劳修斯(冰箱需 W)是同一定律;真实过程不可逆
#变凉的咖啡#冰箱#冰融化
10卡诺循环:效率最高的热机
两段等温 + 两段绝热。η = 1 - T_C/T_H 是只由温度比决定的天花板;底层是 Q_H/T_H = Q_C/T_C
#汽车发动机#冰箱#发电厂
11熵:弥散的量度与时间之箭
状态量 dS = dQ_rev/T。宇宙满足 ΔS_total ≥ 0(时间之箭),仅可逆时取等;统计上 S = k ln Ω
#墨水扩散#冰融化#打碎的杯子
12朗肯循环:靠蒸汽运转的发电厂
锅炉、汽轮机、冷凝器、泵四个部件。相变让热在近恒温下进出,泵功很小。η = W_net/Q_H
#火力发电厂#核电站#蒸汽轮机
13奥托与狄塞尔循环:汽油与柴油发动机
没有相变的气体循环。奥托定容、狄塞尔定压燃烧。η = 1 − 1/r^(γ−1),柴油以更高的 r 取胜
#汽油车#柴油车#卡车发动机
14制冷:把循环倒着转,把热往上搬
把热机倒转,用功 W 把热从冷搬到热。Q_H = Q_C + W,性能为 COP = Q_C/W,卡诺 COP = T_C/(T_H−T_C)
#冰箱#空调#热泵
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