电冰箱工作原理的微观分析方法,热力学论文.docx

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1、电冰箱工作原理的微观分析方法,热力学论文摘 要： 一般教学资料没有对无摩擦准静态经过是可逆经过的原因进行具体的解释,并且通过卡诺循环的特例从宏观角度入手解释电冰箱原理也比拟抽象。文章提出一种从微观角度入手分析体积功的方式方法,分别对这两个问题进行了充分的解释。文章提出的方式方法比拟简单方便、联络实际、容易理解,期望对教学有一定的参考价值。 本文关键词语： 压缩机; 节流器; 可逆经过; Abstract： The reason why frictionless quasi-static process is a reversible process is not explained in de

2、tail in general textbooks,and the explanation of refrigerator principle is also abstract from the macro perspective through the special case of carnot cycle. This paper proposes a method to analyze the volume work from a micro perspective,and fully explains the two problems respectively. The method

3、proposed in this paper is relatively simple,convenient and easy to understand in combination with practice,which is expected to have certain reference value for teaching. Keyword： Compressor; Throttling device; Reversible process; 做功和传热是改变热力学系统状态和内能的两种方式方法。从微观角度入手分析,传热是通过分子之间互相碰撞传递能量实现的。在一般热学教学资料中,有

4、很多从微观角度入手分析传热的例子。例如,证明两个物体处于热平衡时物体的平均动能相等,这个问题是热学课程的重要教学内容。再如,在引入能均分定理时,需要定性讲明分子间碰撞能够使得分子平动动能、分子转动动能、分子振动动能和势能互相转化。非对心碰撞使得分子平动动能与分子转动动能互相转化,碰撞产生形变使分子平动动能与分子振动动能和势能互相转化。能均分定理也是热学课程的重要教学内容。 做功经过可以以从微观角度入手进行分析。例如,体积功是系统分子在系统边界处与外界碰撞实现的。假如系统体积膨胀,由于系统边界速度方向朝外,系统分子碰撞外界反弹回来速度变小,系统内能减小,内能转化为外界运动的机械能,系统对外界做功

5、。假如系统体积压缩,由于系统边界速度方向朝内,分子碰撞外界反弹回来速度变大,系统内能增大,外界运动的机械能转化为系统的内能,外界对系统做功。又例如,电功是系统中带电粒子在外加电场中加速,电能转化为定向运动的动能,再经过碰撞转化为无规则运动内能的经过。 一般教学资料很少从微观角度分析做功经过,其实假如能从微观角度入手分析做功经过来解释宏观热力学现象,会有意想不到的简便。文章第一节和第二节通过从微观角度分析体积功分别解释无摩擦准静态经过是可逆经过的原因和电冰箱的工作原理。这两个问题都是热学课程中重要的教学内容。为了凸显从微观入手分析体积功解决问题的简便,第三节从宏观角度入手分析做功经过解释电冰箱的

6、工作原理,以便对从微观角度入手和从宏观角度入手的两种方式方法进行比拟。文章结束语针对一般教学资料在解释无摩擦准静态经过是可逆经过原因上的缺乏和解释电冰箱工作原理上的缺乏,根据微观理论和宏观理论的区别和联络,对从微观角度入手分析体积功这一新方式方法的意义进行系统具体的讲明。 1 、从微观角度入手分析做功经过解释无摩擦的准静态经过是可逆经过 图1 一定量的气体经历一样中间状态的膨胀和压缩经过 如此图1所示,设一定量的气体从状态1膨胀到状态2,再从状态2压缩到状态1,设膨胀经过和压缩经过中间经历了一样的状态,以此为例进行分析解释。 不失一般性,分析膨胀和压缩经过经历的任意一个一样的状态。 先不考虑摩

7、擦力。在膨胀经过中,气体分子在系统边界与外界碰撞反弹回来速度变小,由于分子之间通过碰撞传递能量需要一个时间经过,分子热运动剧烈程度沿着从边界到系统内部的方向依次增大,边界处的压强小于系统的平均压强。在压缩经过中,气体分子在系统边界处与外界碰撞反弹回来速度变大,沿边界到系统内部的方向分子热运动剧烈程度依次减小,边界处的压强大于系统的平均压强。这样,膨胀经过中系统边界处的压强比压缩经过中系统边界处的压强小,膨胀经过中系统对外做的功比压缩经过中外界对系统做的功少,膨胀和压缩经过中做的功不能互相抵消,膨胀和压缩经过不能互为可逆经过。 准静态经过是中间状态都是无限接近平衡的经过,是无限缓慢的理想极限。在

8、上述膨胀和压缩经过中间经历的同一状态中,无论是膨胀经过还是压缩经过,气体分子在系统边界与外界碰撞反弹回来速度几乎不变,系统内部各处压强均匀一致,膨胀经过和压缩经过中系统边界的压强一样,膨胀经过中系统对外界做的功和压缩经过中外界对系统做的功大小相等,符号相反,正好抵消,膨胀和压缩经过互为可逆经过。 再考虑摩擦力。无论膨胀经过还是压缩经过,摩擦力总是把机械能转化为内能,假如有摩擦力,在上述膨胀和压缩经过中不能消除摩擦力的影响,膨胀和压缩经过就不能互为可逆经过。 综上所述,能够得到无摩擦的准静态经过是可逆经过的结论。 2 、从微观角度分析做功经过解释电冰箱的工作原理 图2给出电冰箱的示意图。华而不实

9、闭合实线表示电冰箱外壳,三角形表示压缩机,两个顶点相接的三角形表示节流器,工作物质通过虚线所示的途径按箭头所示的方向往返于电冰箱内外。 图2 电冰箱示意图 图3给出压缩机的示意图。压缩机叶片按箭头所示方向旋转,将工作物质从冰箱内部抽到外部。从微观角度分析,内部分子碰撞叶片反弹回来速度变小,内部能量减少,而外部分子碰撞叶片反弹回来速度变大,外部内能增大,这样热量从内部传递到外部,电冰箱温度降低。 图3 压缩机示意图 图2所示节流器的作用是让工作物质在电冰箱外面充分散热后再回到电冰箱里面以增大制冷效果。 3、 从宏观角度入手分析做功经过解释电冰箱的工作原理 电冰箱工作物质不停地往返电冰箱内外,这是

10、力学循环,同时工作物质的热力学状态也在周而复始地变化,这就是热力学循环。 图4 工作物质的热力学循环 如此图4所示,热力学循环经过用逆时针闭合曲线近似表示,不闭合的曲线示意工作物质的等温经过。为了方便讨论,假设工作物质的循环经过是准静态经过,由于只要准静态经过才能用实线表示。 图4中等温线与闭合曲线的交点1大致对应于工作物质在压缩机处的状态,交点2大致对应于工作物质在节流器处的状态。以等温线为分界限,循环经过上半支大致对应于工作物质在冰箱外部的经过,下半支大致对应于工作物质在冰箱内部的经过。工作物质沿上半支从状态1到状态2内能不变,因外界做功而放出热量,沿下半支从状态2到状态1,内能也不变,因

11、对外界做功而吸收热量,这样工作物质在冰箱内部放热,在冰箱内部吸热,产生制冷效果。 4、 结束语 文章从微观角度入手分析体积功解释了无摩擦准静态经过是可逆经过的原因和电冰箱的工作原理,主要根据系统分子分别与外界和压缩机叶片碰撞后速度大小的变化来确定能量的转化或迁移,非常简明易懂。 无摩擦的准静态经过是可逆经过,这是热力学中的重要结论。但一般教学资料1,2,3,4,5都没有对这个结论进行具体的解释,文章从微观角度入手对体积功进行了解释。 热机和制冷机是学习热力学第二定律的基础,历史上热力学第二定律在第一次工业革命中研究热机和制冷机而发现的。电冰箱是制冷机之一,也是日常生活最熟悉的家用电器之一。假如

12、能简单方便地解释电冰箱工作原理,从理论联络实际的角度考虑,无疑是很有意义的。 比拟分别从微观角度和宏观角度入手解释电冰箱工作原理的两种方式方法,不难看出宏观角度入手的方式方法相对不容易理解,由于工作物质的循环经过与图4所示的循环经过差距较大,需要一个突出主要矛盾忽略次要矛盾而建立模型的抽象思维经过。另外,在从宏观角度入手的方式方法中,还要用到准静态经过这个理想模型,在这一点上与实际也有差距。反观从微观入手的方式方法,则不存在上述两个问题,相对从宏观入手的方式方法更易于理解。 值得一提的是,一般教学资料从宏观角度入手解释电冰箱工作原理,是以两条等温线和两条绝热线组成的卡诺循环这一简单特例进行的,

13、其解释比拟抽象,不够详细具体,这是一般教学资料的缺乏之处。而文章第三节从宏观角度入手解释,考虑了电冰箱的元件和构造,也是一种比一般教学资料更接近实际的方式方法,更容易理解。 从微观角度入手分析体积功解释无摩擦的准静态经过是可逆经过的原因和电冰箱的工作原理固然都是定性的,但两个解释都简明易懂,对初学者了解物理本质规律有一定的促进作用。从微观入手的方式方法简明易懂,并非不需要从宏观入手的方式方法,正好相反要学习热力学第二定律应该主要从宏观角度入手。热力学理论分为宏观理论热力学和微观理论气体分子动力学两部分,而热力学第二定律是宏观理论热力学的基本原理之一。宏观理论和微观理论入手角度不同,方式方法各异

14、,但相辅相成,扬长避短,构成一个殊路同归的有机整体,因而从微观角度入手的方式方法能够作为学习宏观理论的一个有力的补充。 以下为参考文献 1赵凯华,罗蔚茵.新概念物理教程(热学)M.北京:高等教育出版社,1998:139-141,163-166. 2黄淑清,聂宜如,申先甲.热学教程M.北京:高等教育出版社,2018:32-34,64-65. 3李椿,章立源,钱尚武.热学M.北京:高等教育出版社,2008:107-108,134-135. 4 秦允豪.热学M.北京:高等教育出版社,2018:189-191,238-240. 5刘玉鑫.热学M.北京:北京大学出版社,2021:185-187,139-141.