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热力学思维模型-能量运转的基本逻辑
发布日期:2022-08-16 02:06    点击次数:186

一、    什么是热力学

热力学(thermodynamics)是从宏观角度研究物质的热运动性质及其规律的学科,属于物理学的分支,它与统计物理学分别构成了热学理论的宏观和微观两个方面。

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热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质 ,它提示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律,总结了物质的宏观现象而得到的热学理论。热力学定律具有高度的可靠性和普遍性,如我们常说的热力学第零定律、热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律等。

二、    热力学几大定律

1.  热力学第零定律

热力学第零定律:如果两个热力学系统均与第三个热力学系统处于热平衡,那么它们也必定处于热平衡 。也就是说热平衡是传递的。

热力学第零定律是热力学三大定律的基础,它定义了温度。

因为在三大定律之后,人类才发现其重要性,故称为“第零定律”。

2.  热力学第一定律

热力学第一定律也就是能量守恒定律:能量既不能凭空产生,也不能凭空消失,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转移和转化的过程中,能量的总量不变。

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3.  热力学第二定律

热力学第二定律有几种表述方式:

克劳修斯表述:热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体,但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体;

开尔文-普朗克表述:不可能从单一热源吸取热量,并将这热量完全变为功,而不产生其他影响。

熵表述:随时间进行,一个孤立体系中的熵不会减小。

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意义:热力学第二定律的每一种表述,都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性,使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。

一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。

第二类永动机不可能制成,第二类永动机违反了热力学第二定律

只从单一热源吸收热量,使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。

4.  热力学第三定律

热力学第三定律通常表述为绝对零度时,所有纯物质的完美晶体的熵值为零。 或者绝对零度(T=0K即-273.15℃)不可达到

R.H.否勒和E.A.古根海姆还提出热力学第三定律的另一种表述形式:任何系统都不能通过有限的步骤使自身温度降低到0K,称为0K不能达到原理。

三、   重点分析热力学第一定律(能量守恒定律):

热力学第一定律的案例可以说无所不在,下面我们就分享一些常见的案例应用:

1)  空调与冰箱的制冷系统(将电能转移热能)

原理:制冷系统可以把压力较低的蒸汽压缩成压力较高的蒸汽,使蒸汽的体积减小,压力升高。压缩机吸入从蒸发器出来的较低压力的工质蒸汽,使之压力升高后送入冷凝器,在冷凝器中冷凝成压力较高的液体。

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经节流阀节流后,成为压力较低的液体后,送入蒸发器,在蒸发器中吸热蒸发而成为压力较低的蒸汽,再送入压缩机的入口,从而完成制冷循环。

2)  汽车和火车中的内燃机(将热能转化为机械能)

原理:内燃机将燃料和空气混合,在其汽缸内燃烧,释放出的热能使汽缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作功,再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出,驱动从动机械工作。

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3)  电饭锅中的加热装置(将电能转化为热能)

原理:将盛好食物的内锅放到发热板上,使其底部与发热板中心的限温中感温软磁铁贴合。按下琴键开关,软磁铁下方的永久磁铁即上升至与软磁铁接触;此时锅尚未升温,软磁铁处于居里温度以下,呈良好铁磁性,能被永久磁铁磁化并将其吸持在高点位置。

处于高点位置的软磁铁带动内部杠杆动作, 梦幻西游之跨服战场将电路上、下触点接通,电热元件通电发热,锅内食物被加热升温。

4)  微波炉的加热装置(将电磁能转化为热能)

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原理:微波炉的加热原理是以物料吸收微波能是物料中极性分子与微波电磁场相互作用的结果,在外加交变电磁场作用下,物料内极性分子极化并随外加交变电磁场极性变更而交变取向,如此众多的极性分子因频繁相互间摩擦损耗,使电磁能转化为热能。

四、   重点分析热力学第二定律(熵增定律):

最广为人知的是热力学第二条定律,它是指对一个封闭系统而言,热不能自发的从冷处转到热处,而不引起其他变化。简单地讲,任何高温的物体在不受热的情况下,都会逐渐冷却。

为什么热力学第二定律又会被叫做“熵增定律”呢?因为从统计力学角度来讲,熵(Entropy)是一定宏观状态下所有微观状态的总和,系统越无序,熵越大。

热力学第二定律可同等表述:一个封闭的系统的熵值总是增加的,总是从有序趋向于无序。

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如果宇宙之外什么都没有,如果没外界向这个宇宙输入能量的话,那么宇宙的最终结局就是走向彻底的无序,也就是走向死亡。

任何一个组织——国家、党派、企业,都逃避不了熵增定律:从初步有序到更加有序,进入成熟阶段后,开始各自为政,僵化官僚,从有序回归无序。

逃避熵增宿命的完美解决之道,40年前我党就给出来了:改革+开放。

改革让系统远离平衡,不断变革,不再停止,限于沉寂;

开放让它不再是一个孤立、封闭的生态系统,破坏熵增定律的物理前提;

企业要时时保持开放的发展心态:对外不断了解市场、用户、技术的变化,对内激发员工力,提升管理效率,激励良性竞争。

我们可以基于熵增原理来理解商业。我们生活在一个四维时空里,我们唯一无法控制的纬度就是时间,因此一切商业价值的根源,就是提升了时间效率,而提升时间效率的不二法门,就是提高有序性。

百度把无序的互联网资源整合排序,它就有了价值,阿里把数以百万的商家和数以亿计的商品借助店铺评分、千人千面等手段提升了购买合适商品的时间效率。

这是因为看透了这个原理,所以薛定谔在他的《生命是什么What's life》中说:

生命以负熵为生!The Living organism feeds upon negative entropy。

生命需要通过不断抵消其生活中产生的正熵,使自己维持在一个稳定而低的熵水平上。

跟我们与生俱来的惰性和贪婪不断斗争,保持开放和好奇,是维持负熵的不二法门。一个不能够反熵增的人,就是富兰克林所说的“有的人25岁就死了,只是到75岁才埋葬!”

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乔布斯格外推崇的“stay hungry, stay foolish”,正是反熵增的最佳做法。

生命以负熵为生!

五、    热力学思维的启示:

热力学的现象和应用,在我们日常的生活中无处不在,以至于应为常见,我们习以为常,忽略了这种思维的应用。

比如我们日常的烧水做饭,这个最常见,我们可以用热力学的思维稍微分析一下,这些看是简单的果汁,其中应用到了热力学第一定律的能量转换和转移,运用到了热力学第二定律的热量从高的物体传递到低的物体。

比如我们日常出行开的汽车,传统的汽车,是把化石燃料的化学能转化成热能,然后又把热能转化成机械能(动能)。而电动汽车是直接把电能转化成了机械能(动能),驱动汽车的快速前进。电能又是从哪里来的呢,追本溯源,电可以是通过风力发电、水力发电、燃烧发电、太阳能发电、生物质发电等等,而每一种来源的能量转换形式都是不一样的。怎么样,运用热力学的思维来层层递推,是不是也很有意思。

同样,再发散来看,我们所接触的产品,有太多热力学的应用,电脑、电视、手机、平板等所有的电子产品;汽车、飞机、轮船等交通工具;坦克、航母、火箭、导弹等军火武器……;这些所有所需要发光、发热、运动的工具和产品,都需要热力学定律的支撑。

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如果你想减肥,也可以运用热力学的思维:你坐在那里不动,一直想着暴瘦不行,如果你知道了热力学的定律,你就会知道该怎么做了,你可以少摄入一些高热量的实物,减少这些热量转化为你的脂肪,同时你应该多多运动,跑步、哑铃、爬山、打球等各种形式,把身体所储存的脂肪能转化为动能,耗散出去,逻辑如此简单而已。

热力学思维,让我们可以更好的理解这个世界运转的基本规律,以及人民以此为基础所创建和构造的一系列产品,能够更好的改善我们的衣食住行,提高人们的生活品质,让我们的社会快速发展和前进着。