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熱力學第一定律是能量守恒原理嗎

生活 更新时间:2024-08-13 22:03:25

在大家的常規意識中,隻有燃燒礦物能源或進行核反應後,才能有能量釋放出來,讓空氣或水升溫甚至汽化蒸發等,然後才能用高溫燃氣或水蒸氣推動發動機運轉,進而對外做功。

其實,這是一個常識性誤區,在地球大氣層以内的所有物質,包括固體、液體和氣體等物質在内,其内部都蘊含有焓、㶲(内能)和熵等熱力學能量,而且這些熱力學能量均來自太陽。隻是發動機隻能用流體(氣體、液體及其混合物),不能用固體(包括冰),所以本文的讨論對象隻針對流體。

根據熱力學第三定律:一般情況下,①當封閉系統達到穩定平衡時,熵為最大值;②在任何自發過程中,熵總是增加;③在絕熱可逆過程中,熵增等于零; ④在絕對零度(約-273℃)時,任何完美晶體的熵為零。

該定律有四層意思,本文不讨論前三層意思。對于第四層意思:“在絕對零度(約-273℃)時,任何完美晶體的熵為零”,其含義為,當物質處于絕對零度時,其内部的熱力學能量,包括焓、㶲(内能)和熵等均為零,即沒有熱力學能量,物質就不會發生熱傳導、熱輻射、熱對流等熱量傳遞過程,更不能對外做功。

所以,地球大氣層以内的空氣和自然水等物質,隻要其溫度高于絕對零度(約-273℃),其熵都不為零,即物質内部蘊含有焓、㶲(内能)和熵等熱力學能量,可以進行熱傳導、熱輻射、熱對流等熱量傳遞過程,也可以用于發動機對外做功。

我們先說空氣,在地球表面,适合人類生存的空氣溫度一般要高于-50℃,大大高于絕對零度,所以空氣中含有大量大量的太陽能(據估算,太陽每天輸送給地球的太陽能約為目前全球能耗的10000倍以上)。根據熱力學第二定律:“熱量總是能夠自發地從高溫物體轉移到低溫物體”,隻要被蒸發的物質的蒸發溫度低于-50℃,就可以利用空氣所蘊含的熱力學能量去蒸發低溫物質,如蒸發溫度低于-70℃的制冷劑R14(四氟化碳),再用R14蒸汽(-70℃時的蒸發壓力為:1.7348MPa)作為發動機的工質,從而對外做功。

空氣蒸發器示意圖如下圖一所示:

熱力學第一定律是能量守恒原理嗎(物質中熱力學能量的存在條件)1

圖一:空氣蒸發器圖片

我們再說自然水,在地球表面的液體自然水,隻要其溫度高于5℃,同樣也可以用其所蘊含的熱力學能量去蒸發低溫物質,如蒸發溫度低于-15℃的制冷劑R116(六氟乙烷),再用R116蒸汽(-15℃時的蒸發壓力為:1.2154MPa)作為發動機的工質,從而對外做功。

水蒸發器示意圖如下圖二所示:

熱力學第一定律是能量守恒原理嗎(物質中熱力學能量的存在條件)2

圖二:水蒸發器圖片

無論是利用空氣蒸發制冷劑還是用自然水蒸發制冷劑,這種技術已經在空調系統中用了至少50年,所以已經是一項成熟的技術,毋庸置疑。

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