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热力学第二定律的克劳修斯叙述是,克劳修斯定律

热力学第二定律也叫熵增定律,它作为一条基本的热力学定律,其字面意思其实是很直白、很好理解的,没有“熵增定律”表述的那么“高大上”,导致很多人理解起来有一定的困难,还发生了很多误读。
热力学第二定律有两种表述最为常见,第一种表述即克劳修斯在1850年发表的:热量不能自发地从低温物体转移到高温物体而不引起其他改变。更简单的说法就是热量会自发地从高温物体转移到低温物体。室温下的热水杯子会凉、冰棍会融化,等等。
自发的传热即“熵增”
克劳修斯的表述不违反我们日常生活的常识,随便画个简

热力学第二定律也叫熵增定律,它作为一条基本的热力学定律,其字面意思其实是很直白、很好理解的,没有“熵增定律”表述的那么“高大上”,导致很多人理解起来有一定的困难,还发生了很多误读。

热力学第二定律有两种表述最为常见,第一种表述即克劳修斯在1850年发表的:热量不能自发地从低温物体转移到高温物体而不引起其他改变。更简单的说法就是热量会自发地从高温物体转移到低温物体。室温下的热水杯子会凉、冰棍会融化,等等。

热力学第二定律的克劳修斯叙述是,克劳修斯定律

自发的传热即“熵增”

克劳修斯的表述不违反我们日常生活的常识,随便画个简图其实就能表达出来的(红色尖头表示热量传递):

热力学第二定律的克劳修斯叙述是,克劳修斯定律

克劳修斯表述下的热二定律

a:不需要借助其他措施,80℃热源的热量可以自发传递至20℃的热源;

b:没有其他措施的情况下,20℃热源的热量是不可以传递到80℃的热源;

c:在有外部能量E引入的情况下,20℃热源的热量可以传递到80℃的热源,其实就是我们常见的热泵空调冰箱技术。

从克劳修斯的表述我们可以知道,热力学第二定律不是个人权威、民族文化、宗教信仰或者国家法律规定的,它是通过实践总结得到的一条自然规律。

克劳修斯表述的背后其实还有一层比较深的含义:在高、低温两个热源之间,无论你增加什么装置、设备或者隔层、材料、涂料,如果没有持续的外部能量E引入的情况下,低温热源的热量是不可能持续的传递到高温热源的。这是热力学第二定律在工程技术上辨别真伪的一个功能。

热力学第二定律的克劳修斯叙述是,克劳修斯定律

克劳修斯表述背后的含义

d:在有外部能量E引入的情况下,A将20℃热源的热量传递到80℃的热源,持续可行;

e:在没有外部能量E引入的情况下,A将20℃热源的热量传递到80℃的热源,不可行;

f:在没有外部能量E引入的情况下,A通过质变为B,将20℃热源的热量传递到80℃的热源,可行,但完全转化为B之后,则成为e图所示状态,不可持续;

g:在有外部能量E引入的情况下,将B重新转化为A,使得A与B持续性相互转化,将20℃热源的热量传递到80℃的热源,是可行的。

其实d图在实际生活中最常见的就是各种冰箱、空调、热泵。

热力学第二定律的克劳修斯叙述是,克劳修斯定律

机械压缩氟利昂热泵空调其工作流程较为简单

它们以各种配方的氟利昂、二氧化碳等物质为载热质,以压缩机、膨胀阀(或者毛细管)为核心设备制成的,引入的能量E一般就是电动机的轴功,此外大型的设备还有用内燃机、燃气轮机、蒸汽机驱动的。

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空调、冰箱、空气源热泵、水源热泵

我们不常见的“热泵空调”技术也不少,比如以电子为“载热质”,半导体材料为“机体”的半导体制冷技术,比如有制冷功能的饮水机、微型小冰箱(低温药盒)、技术宅们的低温CPU散热器等,淘宝一搜这个“黑科技”的产品、配件一大堆。

热力学第二定律的克劳修斯叙述是,克劳修斯定律

淘宝等购物网上售卖半导体制冷的商家很多

g图的原理在生活中不怎么常见,主要是吸收式(第一类)、吸附式两种制冷技术,一般常用在工业上,以供热和干燥为主。

上学的时候我们都学过浓硫酸有很强的吸水性能,能从砂糖(碳水化合物)里边把氢氧元素以2:1的比例(水)吸出来,还能吸收空气中的水蒸气,浓硫酸吸水之后的溶液的温度也会显著升高。

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浓硫酸强大的吸水能力

但是浓硫酸的腐蚀性实在是有点强,工程师们寻找到了比较温和的物质,比如溴化锂-水、氯化钙-水、水-氨、烃-硅油等二元工质组合,利用吸收剂对蒸发剂强大的吸收能力制作热泵,目前可用的大概有二十多对组合。吸附式制冷利用的是沸石、活性炭等对水、醇的吸附作用,没有吸收式热泵的浓-稀溶液过程。

热力学第二定律的克劳修斯叙述是,克劳修斯定律

高温水驱动的大型吸收式热泵

采用高温水、蒸汽、燃气等高温能量(E)将g图中的A→B之后的稀溶液重新蒸馏完成B→A的浓溶液再生,可以使热泵设备持续运行。

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流程复杂的吸收式热泵流程图

此外还有声波制冷、磁制冷。

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声制冷器

热力学第二定律的克劳修斯叙述是,克劳修斯定律

涡流管是一个很神奇的设备,号称“麦克斯韦妖管”,构思非常巧妙,其工作过程依然未能突破热力学两个定律,保持着“能量守恒”并且全过程“熵增”。它的原理不是一两句话能解释清楚的,以后会详细说说。

热力学第二定律的克劳修斯叙述是,克劳修斯定律

可以实现流体冷热分流的涡流管

可以这么讲,物理学上的“声、光、电、热、磁”都是携带能量的,都可以作为“将热量从低温物体转移到高温物体的”能量E的来源。用阳光、风还是用电、燃气,是能源免不免费的问题,免费的能源不代表没有能量的引入。

重复一下前边的话:在高、低温两个热源之间,无论你增加什么复杂装置、高精尖设备或者复杂隔层、先进的材料、涂料,如果没有持续的外部能量引入的情况下,低温热源的热量是不可能持续的传递到高温热源的。

因此凡是宣称不消耗能量就能实现热量从低温传递到高温,违背热力学第二定律的事物皆为造假。

热力学第二定律无论是克劳修斯表述还是开尔文表述,其理论根基都来源于一个英年早逝的工程师——尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺,他不仅以一己之力奠定了热力学基础,而且给出了热-功相互转换的最高能效,以后有时间再说。

热力学第二定律的克劳修斯叙述是,克劳修斯定律

热力学奠基人之一萨迪·卡诺

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