高中物理竞赛辅导 4.4.4 热传递.doc

§4。4热传递内能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到同一物体的邻近部分的过程叫热传递。热传递的方式有三种：对流、传导和辐射对流 固、液、气都能导热，但在液体和气体中还有另一种传热方式，就是流体中由于温度不同的各部分相互混合的宏观运动所引起的传热现象称为对流。对流分自然对流和强迫对流。自然对流是由于流体存在温差而引起密度差，较热的流体密度小由浮力而上升，较冷的流体密度大而下沉，从而引起对流传热。强迫对流是通过人工方式如风扇等来迫使流体流动的。热传导 物体或物体系由于各处温度不同引起的热量从温度较高处传递到温度较低处的现象叫热传导。它是固体中热传递的主要形式，在气体或液体中，热传导过程往往和对流同时发生。从分子动理论的观点看，温度高处分子的平均热运动能量大，温度低处分子的平均热运动能量小，于是通过分子间的相互碰撞，一部分内能将从温度高处传递到温度低处。如果导热体各点温度不随时间变化，这种导热过程称为稳定导热，在这种情况下，考虑长度为l，横截面积为S的柱体，两端截面处的温度为，且，则热量沿着柱体长度方向传递，在t时间内通过横截面S所传递的热量为式中K为物质的导热系数。固体、液体和气体都可以热传导，其中金属的导热性最好，液体除水银和熔化的金属外，导热性不好，气体的导热性比液体更差。石棉的热传导性能极差，因此常作为绝热材料。热辐射 物体因自身的温度而向外发射能量，发射出的是不同波长的电磁波，这种热传递方式的特点是：1、不依靠气体或液体的流动，又不依靠分子之间碰撞来传导，因而在真空环境中也能进行；2、热辐射与周围物体的温度高低是无关的。有一类物体，能在任何温度下吸收所有的电磁辐射，其表面却并不反射，这类物体称为黑体。黑体是热辐射理想的吸收体和发射体，例如太阳可近似看作黑体。黑体单位表面积的辐射功率为J与其温度的四次方成正比，即式中，称为斯忒藩常数。如果不是黑体，单位表面积的辐射功率J记为式中叫表面辐射系数，其值在0和1之间，由物体性质决定。例：已知地球与太阳的半径分别是，两者相距，若地球与太阳均可看作黑体，估算太阳表面温度。设太阳和地球的表面温度分别是，则太阳和地球发射的辐射功率太阳的辐射能只有一小部分落在地球表面上，其比例为。若不计地球本身的热源，根据地球能量平衡，取得太阳表面温度例 取一个不高的横截面积是的圆筒，筒内装水0.6kg，在阳光垂直照射下，经2min温度升高1，若把太阳看成黑体，已知太阳半径和地球到太阳的距离分别为和，并考虑到阳光传播过程中的损失，地球大气层的吸收和散射，水所能吸收的太阳能仅是太阳辐射能的一半，试估算太阳表面的温度。(已知)解: 筒内水所吸收的热量 每平方米水面吸收热功率 单位面积上的热功率与距离平方成反比，即 斯忒藩公式 联立得说明 由斯忒藩公式可知，要估算太阳表面的温度，就应先求出太阳表面每单位面积向外辐射电磁波的功率，而题中所提供的水被辐射晒热的实验可以得地面上所获得的太阳辐射功率，再从距离关系即可求出太阳单位面积的辐射功率。§2-3 热力学第二定律231、卡诺循环物质系统经历一系列的变化过程又回到初始状态，这样的周而复始的变化过程为循环过程，简称循环。在P-V图上，物质系统的循环过程用一个闭合的曲线表示。经历一个循环，回到初始状态时，内能不变。利用物质系统(称为工作物)持续不断地把热转换为功的装置叫做热机。在循环过程中，使工作物从膨胀作功以后的状态，再回到初始状态，周而复始进行下去，并且必而使工作物在返回初始状态的过程中，外界压缩工作物所作的功少于工作物在膨胀时对外所做的功，这样才能使工作物对外做功。获得低温装置的致冷机也是利用工作物的循环过程来工作的，不过它的运行方向与热机中工作物的循环过程相反。卡诺循环是在两个温度恒定的热源之间工作的循环过程。我们来讨论由平衡过程组成的卡诺循环，工作物与温度为的高温热源接触是等温膨胀过程。同样，与温度为的低温热源接触而放热是等温压缩过程。因为工作物只与两个热源交换能量，所以当工作物脱离两热源时所进行的过程，必然是绝热的平衡过程。如图2-3-1所示，在理想气体卡诺循环的P-V图上，曲线ab和cd表示温度为和的两条等温线，曲线bc和da是两条绝热线。我们先讨论以状态a为始点，沿闭合曲线abcda所作的循环过程。在abc的膨胀过程中，气体对外做功是曲线abc下面的面积，在cda的压缩过程中，外界对气体做功是曲线cda下面的面积。气体对外所做的净功就是闭合曲线abcda所围面积，气体在等温膨胀过程ab中，从高温热源吸热，气体在等温压缩过程cd中，向低温热源放热。应用绝热方程 和 得 所以 0V1V4V2V3VT1T2图2-3-1卡诺热机的效率我们再讨论理想气体以状态a为始点，沿闭合曲线adcba所分的循环过程。显然，气体将从低温热源吸取热量，又接受外界对气体所作的功W，向高温热源传热。由于循环从低温热源吸热，可导致低热源的温度降得更快，这就是致冷机可以致冷的原理。致冷机的功效常用从低温热源中吸热和所消耗的外功W的比值来量度，称为致冷系数，即，对卡诺致冷机而言，。有一卡诺致冷机，从温度为-10的冷藏室吸取热量，而向温度为20的物体放出热量。设该致冷机所耗功率为15kW，问每分钟从冷藏室吸取的热量是多少？令，则。每分钟作功，所以每分钟从冷藏室中吸热。232、热力学第二定律表述1：不可能制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸取热量，使之全部变为有用的功，而其他物体不发生任何变化。表述2：热量不可能自动地从低温物体转向高温物体。在表述1中，我们要特别注意“循环动作”几个字，如果工作物进行的不是循环过程，如气体作等温膨胀，那么气体只使一个热源冷却作功而不放出热量便是可能的。该叙述反映了热功转换的一种特殊规律，并且表述1与表述2具有等价性。我们用反证法来证明两者的等价性。pV图2-3-2假设表述1不成立，亦即允许有一循环E可以从高温热源取得热量，并全部转化为功W。这样我们再利用一个逆卡诺循环口接受E所作功W(=)，使它从低温热源取得热量，输出热量给高温热源。现在把这两个循环总的看成一部复合致冷机，其总的结果是，外界没有对他做功而它却把热量从低温热源传给了高温热源。这就说明，如果表述1不成立，则表述2也不成立。反之，也可以证明如果表述2不成立，则表述1也必然不成立。试证明在P-V图上两条绝热线不能相交。假定两条绝热线与在P-V图上相交于一点A，如图2-3-2所示。现在，在图上再画一等温线，使它与两条绝热线组成一个循环。这个循环只有一个单热源，它把吸收的热量全部转变为功，即=1，并使周围没有变化。显然，这是违反热力学第二定律的，因此两条绝热线不能相交。233、卡诺定理设有一过程，使物体从状态A变到状态B。对它来说，如果存在另一过程，它不仅使物体进行反向变化，从状态B回复到状态A，而且当物体回复到状态A时，周围一切也都各自回复到原状，则从状态A进行到状态B的过程是个可逆过程。反之，如对于某一过程，不论经过怎样复杂曲折的方法都不能使物体和外界恢复到原来状态而不引起其他变化，则此过程就是不可逆过程。气体迅速膨胀是不可逆过程。气缸中气体迅速膨胀时，活塞附近气体的压强小于气体内部的压强。设气体内部的压强为P，气体迅速膨胀微小体积V，则气体所作的功W，小于pV。然后，将气体压回原来体积，活塞附近气体的压强不能小于气体内部的压强，外界所作的功不能小于pV。因此，迅速膨胀后，我们虽然可以将气体压缩，使它回到原来状态，但外界多作功；功将增加气体的内能，而后以热量形式释放。根据热力学第二定律，我们不能通过循环过程再将这部分热量全部变为功；所以气体迅速膨胀的过程是不可逆过程。只有当气体膨胀非常缓慢，活塞附近的压强非常接近于气体内部的压强p时，气体膨胀微小体积V所作的功恰好等于pV，那么我们才能非常缓慢地对气体作功pV，将气体压回原来体积。所以，只有非常缓慢的亦即平衡的膨胀过程，才是可逆的膨胀过程。同理，只有非常缓慢的亦即平衡的压缩过程，才是可逆的压缩过程。在热力学中，过程的可逆与否和系统所经历的中间状态是否平衡密切相关。实际的一切过程都是不可逆过程。卡诺循环中每个过程都是平衡过程，所以卡诺循环是理想的可逆循环卡诺定理指出：(1)在同样高温(温度为)和低温(温度为)之间工作的一切可逆机，不论用什么工作物，效率都等于。(2)在同样高低温度热源之间工作的一切不可逆机的效率，不可能高于可逆机，即。下面我们给予证明。设高温热源，低温热源，一卡诺理想可逆机E与另一可逆机，在此两热源之间工作，设法调节使两热机可作相等的功W。现使两机结合，由可逆机从高温热源吸热向低温热源放热，其效率。可逆机所作功W恰好提供给卡诺机E，而使E逆向进行，从低温热源吸热，向高温热源放热，其效率为。我们用反证法，先设。由此得，即。当两机一起运行时，视他们为一部复合机，结果成为外界没有对这复合机作功，而复合机却能将热量从低温热源送至高温热源，违反了热力学第二定律。所以不可能。反之，使卡诺机E正向运行，而使可逆机逆行运行，则又可证明为不可能，即只有=才成立，也就是说在相同的和两温度的高低温热源间工作的一切可逆机，其效率均为。如果用一台不可逆机来代替上面所说的。按同样方法可以证明为不可能，即只有。由于是不可逆机，因此无法证明。所以结论是，即在相同和的两温度的高低温热源间工作的不可逆机，它的效率不可能大于可逆机的效率。234、热力学第二定律的统计意义对于热量传递，我们知道，高温物体分子的平均动能比低温物体分子的平均动能要大，两物体相接触时，能量从高温物体传到低温物体的概率显然比反向传递的概率大得多。对于热功转换，功转化为热是在外力作用下宏观物体的有规则定向运动转变为分子无规则运动的过程，这种转换的概率大，反之，热转化为功则是分子的无规则运动转变为宏观物体的有规则运动的过程，这种转化的概率小。所以，热力学第二定律在本质上是一条统计性的规律。一般说来，一个不受外界影响的封闭系统，其内部发生的过程，总是由概率小的状态向概率大的状态进行，由包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行，这是热力学第二定律统计意义之所在。例1、某空调器按可逆卡诺循环运转，其中的作功装置连续工作时所提供的功率。(1)夏天室外温度恒为，启动空调器连续工作，最后可将室温降至恒定的。室外通过热传导在单位时间内向室内传输的热量正比于()(牛顿冷切定律)，比例系数A。试用，和A来表示(2)当室外温度为30时，若这台空调只有30%的时间处于工作状态，室温可维持在20。试问室外温度最高为多少时，用此空调器仍可使室温维持在20。(3)冬天，可将空调器吸热、放热反向。试问室外温度最低为多少时，用此空调器可使室温维持在20。分析：夏天，空调机为制冷机，作逆向卡诺循环，从室内吸热，向室外放热，对工作物质作功。为保持室温恒定，空调器从室内吸热等于室外向室内通过热传导传输的热量。冬天刚好相反，空调器为热机，作顺向卡诺循环，从室外吸热，向室内放热。为保持室温恒定，空调器向室内的放热应等于室内向室外通过热传导传输的热量。解：(1)夏天，空调器为制冷机，单位时间从室内吸热，向室外放热，空调器的平均功率为P，则。对可逆卡诺循环，则有，。通过热传导传热，由得因空调器连续工作，式中 ， (2)，而所求的是时对应的值，记为，则解得。(3)冬天，空调器为热机，单位时间从室外吸热，向室内放热，空调器连续工作，功率为，有，由热平衡方程得：=若空调器连续工作，则当冬天室外温度最低为1.74，仍可使室内维持在20。