热机(Heat Engine),在wiki中是这样解释的,“能够将热源提供的一部分热量转化成为对外输出的机械能之机器”,用人话说,就是发动机。小到汽车,大到火箭,它们的发动机都是热机。我们接下来就看看SAT2考试究竟会怎么考热机。

从热力学第一定律开始

热力学第一定律,又可以称为特殊形式的能量守恒定律,是专门用在热力学中的能量守恒。 能量守恒想必大家多少了解一些,就是能量不会凭空产生,也不会凭空消失,只会从一种形式变成另一种形式,或者一个物体转移到另一个物体。 打个比方,假设你不从银行取钱,也不会把钱花掉,那么你的钱总量应该会维持不变,不管你是从上衣放到裤子,还是裤子放到上衣,你身上钱的总量应该是一定的,这件事就叫做守恒。 然而在热力学中比较特殊,还要考虑从银行取“钱”,或者你会花掉“钱”。假如你全身上下一共10块钱,从银行拿了5块,又花掉了8块,还剩多少?答案显而易见,10+5-8=7块。但是在物理学中,我们关心的往往不是你有多少“钱”,而是你的“钱”是变多了还是变少了,多了“几块”或者少了“几块”。 也就是说,我们关心的是,我的钱少了3块,一般我们会用-3来表示,所以我花掉了的给出去的钱用负数,我得到的从别人那拿来的用正数,所以-3=-8+5,就是我们说的“热力学第一定律”了,与外界交换=自身的变化。 下面我们把热力学中相关的量和上面做一个关联: “银行”就是外环境,从“银行”拿“钱”,就是从环境吸热,自然“存钱”就是放热了; “花钱”就是对外做功,把热能变成了机械能; 而我们说一个人身上所有的“钱”,对应的自然就是所谓的“内能”(一个系统内部蕴含的所有能量)。 所以我们来做一个完整的表述: 一个热学系统内能的变化,等于与外界的净吸热(吸热-放热)减去系统对外界做功。 用表达式来写,就是 ΔU=Q-W ΔU:difference of internal energy 内能变化 Q:从外界环境净吸热 W:work 系统对外做功 单位:焦耳(joule),缩写J。

热机

1. 定义

从外界吸收热量,将热能转变成机械能对外做功,同时系统自身经过循环后大体不变的机械装置。

2. 热源

从外界吸收或者释放热量,这个外界一般会称为热源,我们的热机往往会从高温的热源吸热,然后往低温热源放热,所以净吸热应该是从高温吸热QH减去往低温热源放热QC。比如我们从高温吸热400J,往低温热源放热300J,那么净吸热应该是400J-300J=100J,也就是从热源中总体获得了100J的能量。

3. 热机中的能量转换

热机有一个特殊的要求,系统的内能总体不变。可能这样说比较抽象,大家试想一下,如果汽车发动机不能维持在一个大体不变的温度,而是不断升温,很快就会报废。热机需要系统循环利用,只进行热能到机械能的转换。再结合热力学第一定律,在系统内能不变的情况下,热机的净吸热应当等于对外做功,也就是W=QH-QC。 下面看一道真题: 热机从高温热源吸600J的热量,对外做功150J,问放热是多少? 热机的净吸热等于对外做功,马上用公式W=QH-QC,QC=QH-W=600J-150J=450J,选B。

4. 热机的效率

热机的作用就是将净热量转变成机械功,但是因为某些自然规律(有兴趣可以了解下热力学第二定律),不得不往环境排废热。一辆汽车,我们总希望烧相同的油跑更远的距离,烧相同的油产生的热量自然是恒定的,所以转换成物理术语,就是我们总希望吸相同的热量对外做更多的功,所以就定义效率(efficiency)等于对外做功除以从高温热源吸热,e=W/QH。 考题非常直白,就是问效率是多少,比如下面这道题,和刚才的题目是一道组题。 热机效率最接近哪个值? 直接用做功W除以从热源吸热(注意不是净吸热),也就是e=150J/600J=25%。选E。 以上就是热机常考的方面了,当然如果想深入了解,还可以进一步学习卡诺热机等等内容,不过因为篇幅关系就不详细展开,感兴趣的同学可以参阅教辅~ 我们的备考资料全部都是免费发给大家的,领取方式详见下方~