令人胆寒,让人顿悟的“熵增理论”

令人胆寒,让人顿悟的“熵增理论”
令人胆寒,让人顿悟的“熵增理论”

令人胆寒,让人顿悟的“熵增理论”

作者:觉者看世界

生命是什么?

生命的敌人是什么?

人类的未来会怎样?

为什么时间有方向?

若想造出人工智能生命,需要具备什么能力?

信息究竟有多重要?

为什么刷今日头条、抖音等一类短视频时,会让人感觉轻松愉悦,甚至上瘾?

为什么坚持刷今日头条、刷抖音很容易,坚持看书、坚持健身却很难?

为什么咖啡和茶倒在一起,会自发混合在一起,之后却不会自发地再分开?

为什么房间只会越用越乱?而不会越用越整齐?

为什么散漫很容易,专注却很难?

为什么好习惯养成很难,打破很容易,而坏习惯养成很容易,打破却很难?

为什么所谓的人性的弱点,真的是人性的弱点?

放弃部分控制和努力,事情难道真的会变好吗?

面对人生的变动,敢放手一试,放下焦虑,把命运交给未知吗?

以上这些问题,看似风马牛不相及,但其背后都和“熵”以及“熵增定律”有关。这么一来,是不是觉得“熵”并没那么遥远,却近在咫尺?

无论努力与否,系统的熵(一种混乱程度)只增不减,这就是熵理论的大概描述。

熵增原则是自然界所有定律中至高无上的。

“熵”,念shāng,与“商”同音。

“熵”字长得有些生僻,因此似乎觉得离日常生活很遥远。但恰恰相反,熵和我们的日常生活关系密切,甚至无处不在。

熵”是对系统的混乱程度的度量,熵值越高越混乱无序,熵值越低越有序!

熵的通俗理解就是“混乱程度”,简单的说熵是衡量我们这个世界中事物混乱程度的一个指标。

熵增,在人生观上的启示是:越发力,越混乱。

人活着就是在对抗熵增定律,生命以负熵为生。

熵增定律真的是宇宙最强机制吗?

什么是熵增定律?为什么它如此重要?它到底对我们有什么巨大影响?为什么熵增定律让好多人,一下子顿悟了?

熵”不是自然界的发展方向,熵只是一种度量,“熵增”才代表了自然界的发展方向。

熵(Entropy),最早在1865年由德国物理学家克劳修斯提出,用以度量一个系统“内在的混乱程度”。你可以理解为,系统中的无效能量。

确实,光看“熵”的概念,似乎很难想到具体有什么用。

熵作为一种度量方式,起到根本作用是对特定特征的量化度量。有了量化度量,许多的实际应用就可以在此基础上开展。例如我们能精确的度量长度、面积和体积,在制造、建筑等等实际应用时,就能更精确。

熵的意义在于把系统的混乱程度,信息的不确定度进行度量,然后就可以基于这个度量开展应用,例如信息论就是建立在信息熵的基础之上,而信息论则是现代通信工程的基础。

因为它揭示了宇宙演化的终极规律。这个规律包括我们所有生命和非生命的演化规律,生命里又包含着个人和群体的演化规律。

非生命:比如物质总是向着熵增演化,屋子不收拾会变乱,手机会越来越卡,耳机线会凌乱,热水会慢慢变凉,太阳会不断燃烧衰变……直到宇宙的尽头——热寂。

生命与个人:比如自律总是比懒散痛苦,放弃总是比坚持轻松,变坏总是比变好容易。

只有少部分意志坚定的人能做到自我管理,大多数人都是作息不规律,饮食不规律,学习不规律。

生命与群体:比如大公司的组织架构会变得臃肿,员工会变得官僚化,整体效率和创新能力也会下降;封闭的国家会被世界淘汰。

这些所有的现象都可以用一个定律来解释——熵增定律。因为事物总是向着熵增的方向发展,所以一切符合熵增的,都非常的容易和舒适,比如懒散。

因为所有事物都在向着无规律,向着无序和混乱发展,如果你要变得自律,你就得逆着熵增做功,这个过程会非常痛苦。

人为什么要自律”?因为每个人都有选择自己生活方式的权利,可以散漫也可以自律。生命本身就是自律的过程,即熵减的过程。

熵增是宇宙的动力。

熵增定律也是人体、人生和社会的规律。

在没有外力干扰的自然状态下,一个孤立的系统只会越来越混乱,直到不能再混乱。也就是说系统的熵值不会减少只会增加,直到熵值达到最大值。

更通俗一点说就是,所有事物都会自然地朝无序的方向发展,除非有外力作用于它。就是这种熵在不断增加的过程。

在一个孤立系统里,如果没有外力做功,其总混乱度(熵)会不断增大。这里面有三个词非常重要:孤立系统、无外力做功、总混乱度(熵)。

从能量角度来说,熵增定律意味着,如果没有外力作用,能量总是从聚集有序的高能级状态,自发的变为无序发散的低能级状态。

能量守恒定律告诉我们,能量总量总是守恒。而熵增定律告诉我们,能量的品质是有高低的,且在没有外力的情况下总是从高品质转向低品质状态,损失的品质就是那些我们无法利用的能量,例如机器工作时产生的热能等。能量熵增定律也表明了,永动机是不可能实现的。

比如你花了100 J的能量把物体从A地拿到B地,这个过程中有很多能量并没有被100%的转化,而是有部分散失在了宇宙中。这部分能量不可逆,无法被再利用,且永远在增加。

从概率论的角度来理解,熵增定律指的是,在没有外力作用的情况下,孤立系统总会往对应的微观态数量最多的宏观态,也即概率最大的那个宏观态发展。

其实我们所说的“必然会发生”和“绝不可能出现”等措辞并不是十分准确的。

因为从纯理论角度来说,是有可能会出现无序到有序的状态,只不过这种状态出现的概率,用概率公式计算下来,其值极小极小极小极小,小到可能从宇宙诞生到宇宙热寂(毁灭)都不出现一次。

在概率论中,当一件事情发生的概率极小极小极小,小到现实生活中几乎不可能出现时,就可以忽略它。所以用“必然”表达也可以算是准确。

有熵增,自然就有熵减。不同的是,熵增是自然的发展方向,无序人为干预。而一个系统需要实现熵减,则需要额外施加外力,克服熵增之余,再实现系统熵值的降低。

熵增的这股自然力量就好比地球引力一样,当我们往下跳或走下坡时,总是很省力,因

为地球引力在做正功。

而往上跳或走上坡时,总是很费力,因为地球引力此时在做负功。我们不仅需要先抵消它,还需要有一部分多余的功才行。

熵增和熵减,看似是相反方向,但某些时候,又感觉他们只是一线之隔。再拿手机来说,我们通过它,确实是能够比以往更快速更便捷更高效的获取有用的资讯(视为熵减)。

但正是由于它的便利和高效,也让我们主动或被动的吸收了太多太多的垃圾信息,这些垃圾信息让我们的脑子变得冗余而无序(视为熵增)。

所以,使用的“度”很重要,但这个“度”确实就是难以拿捏。

但这是针对整个宇宙而言的,如果要针对地球,针对一个国家,针对一个企业,针对某一个人,则要加上两个限制条件——封闭系统+无外力做功。

任何一个系统,只要满足封闭系统,而且无外力维持,它就会趋于混乱和无序。

熵增定律被称为最让人沮丧的定律。它不仅预示了宇宙终将归于热寂,生命终将消失。

而且,从小的方面来说:它左右着国家和企业的发展规律,让组织变得臃肿,缺乏效率和创新;它左右着个人的方方面面,让我们安于懒散、难以坚持、难以自律……那么这还有办法可解吗?

孤立系统总是趋向于熵增,最终达到熵的最大状态,也就是系统的最混乱无序状态。

但是,对开放系统而言,由于它可以将内部能量交换产生的熵增通过向环境释放热量的方式转移,所以开放系统有可能趋向熵减而达到有序状态。

启示:整个生命的发展就是一部负熵的历史。

当我们人从无机生命到有机生命那一刻起,就注定了这会是一部艰辛与精彩共存的史诗。我们的始祖是一种“蛋白质+RNA”的聚合体,科学家将她命名为LUCA。

LUCA通过吸收能量来大量复制,但是问题来了,宇宙的熵总的来说是增加的,所以LUCA 的减熵会导致环境的急剧熵增。

环境恶化,LUCA无奈只能进化,变得更高级以适应环境的变化,于是DNA聚合体诞生了。

DNA比RNA更稳定,也更加智能。但是这样一来,消耗的能量更大,吸收的物质更多,导致环境的熵增比以往更大。

所以DNA聚合体被逼着向单细胞演化,同样,环境的熵增再次增加,于是单细胞又向更高级的多细胞进化,于是寒武纪生命大爆发诞生了。

又因为孤立系统无法获取足够的能量,所以多细胞开始移动,并且产生了感知能力,比如视觉、嗅觉、听觉等等。从此,生命走上了智能的进化之路。

这一过程,也被称为递弱代偿。即生命的熵减过程,会加剧环境的熵增,于是环境会变得越来越恶劣,生命为了生存,为了获得足够的能量和物质,必须变得更加智能……

努力保证能量的供给。比如,从化学作用到光合作用和呼吸作用;到光合作用+呼吸作用的结合体;到多细胞生物。

努力开放系统。细胞从无法移动,到进化出游动能力、爬行能力、行走能力、飞行能力。

努力变得更加智能。生命为了花更少的能量来获取更多物质和能量,进化出了感知能力,比如当时的霸主奇虾,就有很大一对眼睛。知道的信息越多,就能减少更多熵的耗散。

就如,许多公司在创业初期非常努力,每天花大量的精力进行各种战略和组织的进化。

但是,随着企业的做大和成熟,员工就会慢慢懈怠下来,组织会变得臃肿,制度会腐旧脱节。所以,作为leader你要努力保证企业的活力。比如采取扁平化的结构,让团队各自为战,回归创业初期时的热情。

记住,舒适圈是熵增定律的第一张王牌,任何时候你都不能松懈。一旦你减少了能量的

投入,企业的熵增就会立马回来。

系统把无用的熵排出去,然后吸收新的可用物质、能量和信息。

熵有三种,物质熵、能量熵、信息熵,在相对论里物质和能量是一回事,但为了便于理解,这里把它分开。

物质熵,用于衡量系统的混乱程度,熵值越高,系统越混乱无序;熵值越低,系统越规范有序。例如当我们形容一个房间、一杯水、一副扑克牌的混乱程度时,直观理解对应的应该就是物质熵。

能量熵,用于度量能量的混乱度。熵值越低,能量越有序和聚集(能量品质越高),熵值越高,意味着能量越无序和发散(能量品质越低)。能量熵的单位是J/(m o l·K)。

信息熵,用于度量一个信息源的不确定性。熵值越高,信息的不确定越大;熵值越低,信息的不确定性越小(也即确定性越大)。信息熵的单位是比特。

既然“熵”是用于度量一个系统的混乱度,那么我们自然也可以用它来度量我们大脑意识的混乱度,可以称之为“意识熵”。

我们可以把意识想象成能量,也可以理解为物质,甚至可以理解为信息,都不影响。

“意识熵”值越大,代表大脑意识越混乱无序;“意识熵”值越小,代表大脑意识越有序。例如当我们迷茫或散漫时,大脑意识应该偏向无序,即熵值比较高。

当我们高度专注和投入时,大脑意识应该是高度有序的状态,也即熵值比较小。

当熵值小到一定程度,也就是极其专注的状态下,就是我们常听到的“心流”状态。心流状态不仅会让我们工作学习效率其高,也会给我们带来由内而外的充实感和幸福感。

有了“意识熵”的概念,再根据“熵增定律”,就很容易解释:为什么专注总是很难很费力?而散漫放空总是很容易也很省力?

我们的意识如果不进行自我控制,只会趋于混乱无序,而不会自发的趋于有序。大脑的控制对于意识来说也是外力作用。

这是因为散漫放空对应的是无序的状态,意味着我们不施加任何外力的情况下,大脑毫不费力的就会自然而然会往这个方向去发展。

而专注聚焦代表着有序的状态,意味着熵减,要达到熵减的目的,我们除了要克服熵增的这股反向的作用力,还得有一部分余力才行。

这个作用力可能是强大的自我管理能力,或者课堂纪律、父母压力、考试任务等等外力。

基于此,企业也可以得到启示。

企业要想对抗熵增,就必须开放,把那些衰败为熵的东西全部排出系统。

比如腐败的制度、无产出的员工、落后的信息等等;然后吸收新鲜血液,比如先进的理念、新的人才、前沿信息等等。

华为就是最推崇这一理念的,任正非把这个耗散结构作为华为的底层逻辑。任正非说:“我们一定要避免封闭系统。我们一定要建立一个开放的体系,特别是硬件体系更要开放,不开放就是死亡。”

与此同时,华为每年淘汰干部10%,员工淘汰5%。每年18万人会淘汰5千人到9千人来激活这个团队。

当熵逐渐增大,虽然系统会变得越来越混乱无序,但是这种结构却更稳定,这种稳定就是平衡态,你要远离这种平衡态。

比如一个企业做大了,企业内部就会形成一种非常稳固的结构,这种结构很可能就是官僚结构。

企业想要推行新的理念,引进新的人才,吸收新的信息,都会非常困难。解决办法就是,打破这种平衡态,让系统内部流动起来。

比如韩都衣舍,他们采取小团队模式,每个团队2-3人,包括设计师、页面制作专员、

货品管理专员。员工自己可以自由选择任何团队,也可以自己组建团队。

通过分成、授权、竞争、淘汰等一系列机制,来进行充分的内部流动。

最后无能的员工(熵)被淘汰出局,剩下的精英继续流动、重组,变得更加强大。非线性怎么理解非线性?

一个微小的变化也有可能导致一个巨大的突变。比如在一个标准大气压下,你给一壶水加热,前面99都没有沸腾,可是你再加热1它就沸腾了,这就是非线性。

同样企业也如此,可能你前面做了很多努力,效果甚微,但是不要气馁,打破熵增的要素是非线性的,总有一天,你一个微小的投入就会带来巨大的突变。

比如亚马逊,它可能是这个世界上失败最多的企业了,但他们对失败非常包容,因为他们不断在赌“每次小的努力和尝试,都有可能引发意想不到的超额惊喜”。

也许你会觉得自己还达不到在企业里运用熵增定律的高度,没关系,熵增定律也同样适用于你个人的发展。比如工作、生活、学习、心情、成长、人际关系等等都与此相关。

所有熵减方法里面最强大的一个东西。

它不仅适合任何组织的进化,也契合我们个人的进化。

整个生命的减熵史,就是一个不断变得智能的历史。

为什么生物非得需要智能化呢?难道外力做功和开放系统都不足够我们生存的吗?不敢说100%需要智能化,但是从生命的演化来看,似乎都是在朝着这条路发展。

因为一旦你熵减了,那么你的环境就会加剧熵增,也就是说环境会变得越来越恶劣。如果生物要生存,就需要更强的减熵能力。

这种更强的减熵能力从何而来呢?显然光靠光合作用和呼吸作用,以及开放系统是远远不够的。

明白了这一点,你就明白了为什么一个RNA聚合体会进化成单细胞,进化成多细胞,进化成有限生殖,进化成猿人,进化成智人,进化成今天的我们。

这种智能化的过程是必然的。只是我们非常有幸,也许在某个外太空,是类似海豚这样的生物具有智慧。

这个过程,整合为一个哲学概念——递弱代偿。当我们的生存环境很变得越来越艰难,为了生存我们就需要更强大的生存能力。

比如从农耕时代到工业时代,到现在的互联网时代,到未来的人工智能时代。

这也是为什么我们今天的竞争力会越来越大的原因,也是为什么我们变得越来越焦虑的原因,因为环境熵增了。减熵的终极方向是智能化。

那么如何智能化呢?答案是降低信息熵!

这也是为什么历来伟大的企业家都博览群书的原因。来自超智能体!

智能充当的角色,就是从无序中发现有序,减少大量的瞎几把做功。

不论是企业还是个人,如果你想站在更高的维度俯视世界,光做功和开放是不够的,你还必须在信息上,上升一个维度,做到四两拨千斤的效果。

这个过程其实就是思维有了模型一直在做的事——眼界和认知。如果你想在此生有所建树的话,那么努力提升自己的眼界和认知,让自己变得更智能吧。

似乎熵增是一个十恶不赦的坏蛋。但是须知道,对于宇宙而言,熵增只是一个法则,没有好坏之分。

好坏,只是人为在道德上的定性;这个定性对于宇宙来说,毫无意义!

那到底什么算有序?什么算无序?如果是一副扑克牌,有序还是无序,我们可以直观的感受出来,但该如何定量的描述它呢?

看起来,事物从有序到无序是必然事件。其实不是,它是一个概率事件,只是无序的概率非常大,大到有序的概率几乎可以忽略不计。而在数学里面,概率无限大就被称作必然

事件。比如让猴子在键盘上随意打字,打出这篇文章被称为有序,而其他被称为无序。

那么有序的概率就是可以忽略的,我们可以说事物的倾向是从有序到无序。

要想幸福,就要学会有意识地把无序引向有序。

无序和有序是一对相对的概念,无序是世界本来的状态,是客观的,有序是符合主体价值的状态,是主观的,不同的主体,有序的概念是有所差别的。

以无序和有序来看世界,就能明白世界上为什么会有那么多痛苦,人的欲望为什么要节制。然后你就不会对那些事情耿耿于怀,转而愉快地做积极的事情了。

认识到世界在自然状态下无序度增加的必然性,和人的作为可以维护有序性的可能性,你就会坚定地做一个在纷繁世事面前有所作为的人,你就会做一个积极的乐观主义者。

其实我们每个人每天都在做使无序变得有序的事情,只是每个人都是无意识的,如果把这种行为变得有意识,那就非常有助于我们理解一些事情,我们处世态度和信念就会有所不同。

以上启示,是站在个体自我要求进步的角度来看。那么站在商业价值的角度来看又如何呢?

那些代表性的熵增类产品背后的公司,总是用户规模巨大,商业价值也巨大。

而那些即便已经成长为熵减类产品领域代表性的公司,相比起来前者来,其用户规模和商业价值跟前者往往都不在一个数量级上。

得到和知乎算是发展很好的熵减类产品代表,而且也都有上市的可能性,但其市值比起今日头条还是小了至少一个数量级。

而且熵减代表团也就冒出了这么极少数的几个公司而已,而熵增代表团的高估值项目却层出不穷。

那又是什么内在原因造成“熵增类产品商业价值远远大于熵减类产品商业价值”?

熵增类产品的用户使用阻力小,因为有熵增这个自然力量推动,相当于顺势而为,且持续使用有成瘾性。这是产品本身的“基因”优势。

熵减类产品的用户使用阻力大,因为要先克服熵增这个自然阻力,同时用户的持续使用还需要建立在很强的不断的自我驱使之下。

熵增类产品的潜在目标客户基数,远远大于熵减类产品的潜在目标客户基数。

站在整体角度看社会群体,自我要求较高且有足够自我驱动力的人占比总是较小,应该基本符合二八原则的分布规律。

而只有那些有强烈的主观熵减意愿的人,才可能持续的坚持使用熵减类的产品。而熵增类产品的目标对象几乎是所有人,因为它符合自然规律。

让人熵增,就好比要把一个物体推下坡,只需用少许的力,因为有自然向下的自然熵增在同向作用。

让人熵减,就好比要把一个物体推上坡,需要费很大的力,因为有自然向下的自然熵增在反向作用。

从个人进步角度来说,我们应该引导自己选择熵减类产品,而和熵增类产品保持距离。

但是站在商业投资角度来说,那些熵增类产品往往更有商业价值,因为它符合自然规律,往往切中了人性的弱点,市场推广会容易的多,潜在客户群体也会大的多。

当你年轻时,以为什么都有答案;可是当你老了的时候,却发现什么都没有答案。

当我们陷入迷茫、无法聚焦,或当我们被爆炸而无意义的内容淹没时,我们可以给自己建立明确的心锚:对抗熵增,努力熵减!

人应该以一颗轻松的心,去进入这个世界。轻松生活也不是不采取行动,而只是在行动的时候,永远依道而行,随缘应对即可,无需自找苦吃。

有时把问题放下,敢于放弃控制,让自己安然的投入未知,问题反而就会自然解决,甚

至会解决的非常完美。放手投入未知,并不消极,有时却是一种蕴含着无比勇气和抉择智慧的另类积极。

无论做什么事情,内心感受上的舒畅与否都是非常重要的,完全忽视了这一点,让自己始终带着焦灼的心去做事,必然伴随着内心痛苦感受的无穷熵增,而使人生越来越痛苦不堪,直至提前走向灭亡……

2020年1月16日星期四

熵增原理

热力学第一定律就是能量守恒与转换定律,但是它并未涉及能量状态的过程能否自发地进行以及可进行到何种程度。热力学第二定律就是判断自发过程进行的方向和限度的定律,它有不同的表述方法: 克劳修斯的描述①热量不可能自发地从低温物体传到高温物体,即热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化; 开尔文的描述②不可能从单一热源取出热量使之全部转化为功而不发生其他影响; 因此第二类永动机是不可能造成的。热力学第二定律是人类经验的总结,它不能从其他更普遍的定律推导出来,但是迄今为止没有一个实验事实与之相违背,它是基本的自然法则之一。 由于一切热力学变化(包括相变化和化学变化)的方向和限度都可归结为热和功之间的相互转化及其转化限度的问题,那么就一定能找到一个普遍的热力学函数来判别自发过程的方向和限度。可以设想,这种函数是一种状态函数,又是一个判别性函数(有符号差异),它能定量说明自发过程的趋势大小,这种状态函数就是熵函数。 如果把任意的可逆循环分割成许多小的卡诺循环,可得出 0i i Q r T δ=∑ (1) 即任意的可逆循环过程的热温商之和为零。其中,δQi 为任意无限小可逆循环中系统与环境的热交换量;Ti 为任意无限小可逆循环中系统的温度。上式也可写成 0Qr T δ=? (2) 克劳修斯总结了这一规律,称这个状态函数为“熵”,用S来表示,即 Qr dS T δ= (3) 对于不可逆过程,则可得 dS>δQr/T (4) 或 dS-δQr/T>0 (5) 这就是克劳修斯不等式,表明了一个隔离系统在经历了一个微小不可逆变化后,系统的熵变大于过程中的热温商。对于任一过程(包括可逆与不可逆过程),则有 dS-δQ/T≥0 (6) 式中:不等号适用于不可逆过程,等号适用于可逆过程。由于不可逆过程是所有自发过程之共同特征,而可逆过程的每一步微小变化,都无限接近于平衡状态,因此这一平衡状态正是不可逆过程所能达到的限度。因此,上式也可作为判断这一过程自发与否的判据,称为“熵判据”。 对于绝热过程,δQ=0,代入上式,则 dSj≥0 (7) 由此可见,在绝热过程中,系统的熵值永不减少。其中,对于可逆的绝热过程,dSj =0,即系统的熵值不变;对于不可逆的绝热过程,dSj >0,即系统的熵值

逆卡诺循环的应用小论文

逆卡诺循环在空气能热泵的应用 [摘要]“空气能”热泵热水技术采用目前最先进的新能源技术。产品利用空气压缩机驱动冷媒进行逆卡诺循环,将大量低品位的热源(空气中的热量)通过压缩机和制冷剂,转变为高品位的可利用热能,将水加热制取生活热水,其输出能量是输入电能3倍以上,被业界誉为第四代热水器。 [关键词]空气能;中央热水;逆卡诺循环 这种新型热水器一般由空气能热泵热水机组、保温水箱、水泵及相应的管道阀门等部分组成。而空气能热泵热水机组一般由压缩机、水侧换热器、空气侧换热器、节流装置、低压储液罐、水路调节阀等部分组成,安装不受建筑物或楼层限制,使用不受气候条件限制,既可用作家庭的热水供应中心,也能为单位集体集中供热水。由于使用环境各方面新型专利技术,该产品不仅安全舒适,而且环保节能,实际使用费仅分别相当于电热水器的1/4,燃气热水器的1/3,将150升水箱中的水加热到65℃,春秋季节需要消耗2 度电,如果采用低谷电价只需要0.6元钱,这箱贮存的热水足够一家3-5口生活热水之用;如果采用一个水龙头放水洗澡,该热水器可以源源不断供应热水。 工作原理 根据逆卡诺循环基本原理: 低温低压制冷剂经膨胀机构节流降压后,进入空气交换机中蒸发吸热,从空气中吸收大量的热量Q2; 蒸发吸热后的制冷剂以气态形式进入压缩机,被压缩后,变成高温高压的制冷剂(此时制冷剂中所蕴藏的热量分为两部分:一部分是从空气中吸收的热量Q2,一部分是输入压缩机中的电能在压缩制冷剂时转化成的热量Q1; 被压缩后的高温高压制冷剂进入热交换器,将其所含热量(Q1+Q2)释放给进入热换热器中的冷水,冷水被加热到60℃直接进入保温水箱储存起来供用户使用; 放热后的制冷剂以液态形式进入膨胀机构,节流降压......如此不间断进行循环。 冷水获得的热量Q3=制冷剂从空气中吸收的热量Q2+驱动压缩机的电能转化成的热量Q1,在标准工况下:Q2=3.6Q1,即消耗1份电能,得到4.6份的热量。 制冷原理:逆卡诺循环 8世纪,瓦特发明了蒸汽机,人类找到了把热能转变为机械能的具体方法。蒸汽机的问世使人类进入了工业社会,生产力得到快速发展。但当时蒸汽机的效率非常低,一般只能达到5%左右。于是,改进蒸汽机,提高其热效率,就成为许多科学家和工程师毕生追求的目标。法国工程师卡诺就是其中杰出代表。他认为,要想改进热机,只有从理论上找出依据。卡诺从热力学理论的高度着手研究热机效率,设计了两条等温线,两条绝热线构成的卡诺循环(如右图所示):第一阶段,温度为T1的等温膨胀过程,系统从高温热源T1吸收热量Q1;第二阶段,绝热膨胀过程,系统温度从T1降到T2;第三阶段,温度为T2的等温压缩过程,系统把热量Q2释放给低温热源T2;第四阶段,绝热压缩过程,系统温度从T2升高到T1。他研究的结论,就是人们总结的卡诺定理,其核心内容是:在相同高温热源T1与相同低温

制冷原理逆卡诺循环

制冷原理: 逆xx 卡诺循环1824年,法国青年工程师卡诺研究了一种理想热机的效率,这种热机的循环过程叫做“卡诺循环”。这是一种特殊的,又是非常重要的循环,因为采用这种循环的热机效率最大。 卡诺循环是由四个循环过程组成,两个绝热过程和两个等温过程。它是1824年N.L.S.卡诺(见卡诺父子)在对热机的最大可能效率问题作理论研究时提出的。卡诺假设工作物质只与两个恒温热源交换热量,没有散热、漏气、磨擦等损耗。为使过程是准静态过程,工作物质从高温热源吸热应是无温度差的等温膨胀过程,同样,向低温热源放热应是等温压缩过程。因限制只与两热源交换热量,脱离热源后只能是绝热过程。作卡诺循环的热机叫做卡诺热机。 xx进一步证明了下述xx定理: ①在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机的效率都相等,与工作物质无关,为,其中T 1、T2分别是高温和低温热源的绝对温度。②在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机的效率不可能大于可逆卡诺热机的效率。可逆和不可逆热机分别经历可逆和不可逆的循环过程。 阐明 卡诺定理阐明了热机效率的限制,指出了提高热机效率的方向(提高T 1、降低T 2、减少散热、漏气、摩擦等不可逆损耗,使循环尽量接近卡诺循环),成为热机研究的理论依据、热机效率的限制、实际热力学过程的不可逆性及其间联系的研究,导致热力学第二定律的建立。 在卡诺定理基础上建立的与测温物质及测温属性无关的绝对热力学温标,使温度测量建立在客观的基础之上。此外,应用卡诺循环和卡诺定理,还可以研究表面张力、饱和蒸气压与温度的关系及可逆电池的电动势等。还应强调,

卡诺定理这种撇开具体装置和具体工作物质的抽象而普遍的理论研究,已经贯穿在整个热力学的研究之中。 逆卡诺循环奠定了制冷理论的基础,逆卡诺循环揭示了空调制冷系数(俗称EER或COP)的极限。一切蒸发式制冷都不能突破逆卡诺循环。 理论 在逆卡诺循环理论中间,要提高空调制冷系数就只有以下二招: 1。提高压机效率,从上面推导可以发现小型空调理论上只存在效率提高空间19%;大型螺杆水机效率提高空间9%。 2。膨胀功损失与内部摩擦损失(所谓内部不可逆循环): 其中减少内部摩擦损失几乎没有空间与意义。在我们songrui版主的液压马达没有问世之前,解决膨胀功损失的唯一方法是采用比容大的制冷剂,达到减少输送质量的目的。如R410A等复合冷剂由于比容较R22大,使膨胀功损失有所减少,相对提高了制冷系数。但是就目前情况看通过采用比容大的制冷剂,制冷系数提高空间不会超过6%。(极限空间12%) 工作原理 根据逆xx基本原理: 高温高压气态制冷剂经膨胀机构节流处理后变为低温低压的液态制冷剂,进入空气交换机中蒸发吸热,从空气中吸收大量的热量Q2; 蒸发吸热后的制冷剂以气态形式进入压缩机,被压缩后,变成高温高压的制冷剂(此时制冷剂中所蕴藏的热量分为两部分: 一部分是从空气中吸收的热量Q2,一部分是输入压缩机中的电能在压缩制冷剂时转化成的热量Q1; 被压缩后的高温高压制冷剂进入热交换器,将其所含热量(Q1+Q2)释放给进入热换热器中的冷水,冷水被加热到60℃直接进入保温水箱储存起来供用户使用;

宇宙的熵增

宇宙会消亡吗 主流猜想——宇宙”热寂” 宇宙热寂的由来 热力学第二定律:能量可以转化,但是无法100%利用。在转化过程中,总是有一部分能量会被浪费掉。 这部分浪费掉能量命名为熵。熵不断在增加。 热力学第二定律也叫熵增原理。就是孤立热力学系统的熵不减少,总是增大或者不变。用来给出一个孤立系统的演化方向。说明一个孤立系统不可能朝低熵的状态发展即不会变得有序。 考虑到宇宙的能量总和是一个常量,而每一次能量转化,必然有一部分”有效能量”变成”无效能量”(即”熵”),因此不难推论,有效能量越来越少,无效能量越来越多。直到有一天,所有的有效能量都变成无效能量,那时将不再有任何能量转化,这就叫宇宙的”热寂”。 结论宇宙就会进入一个死寂的状态。 我的观点,宇宙不会”热寂”。 宇宙是无限的,动态循环的。这个宇宙是总称,不是有人提的这里一个宇宙,那里一个,多少年前或者远处还有一个宇宙。这种分法应该叫天体,为什么还要叫宇宙呢? 宇宙存在自发的熵减的过程。 物质合久必分,分久必合。基本微观粒子质子、电子、中子、光子等聚合原子、分子等物质,这种聚合靠物质自身的引力、电磁力等自发完成。分子组成有序多样的宏观世界。这种聚合可以在某处相对孤立系统中完成,不需要外部干涉。这个过程是熵减的。 星系是宇宙的常见的单元。星系的核心是恒星,恒星的质量足够大,引力也足够大。最初恒星的物质含有的内能(主要是核能)充足,反应活跃与引力平衡,释放出光芒。当能量消耗到一定程度,内能不足以抵抗引力,不能再向外释放能

量。恒星不断收缩、坍塌,并且不断吸收外界物质,此时“恒星”只进不出,形成“黑洞”,黑洞缓慢吸收飞来的各种物质和能量,质量超大,大到吞噬星系的大部分行星和尘埃,甚至是相邻的星系的一部分。黑洞也有生命周期,这个也许比恒星的生命更长。黑洞碾碎了大部分物质(分子原子)分解成基本粒子,喷射出去。这一过程是熵增的。 粒子聚合成原子分子直至形成新的星系或者被其他星系吸收,形成循环。 宇宙各处随机重复着这一过程。每一个循环周期都是极漫长的。 物质的多样性是基本粒子聚合的随机性造成的。如同生物的多样性,生物演化出动、植物、细菌等等。 生物的生成发展也主要是熵减的过程。但是这种熵减的体量相对于星系的熵增是微不足道的。生物不改变星系毁灭的历程。 星系中存在生物也许是偶然的。智慧生命逃出一个星系的衰变毁灭,应该是概率很小的。 路过万丈红尘

卡诺循环与卡诺定理上课讲义

卡诺循环与卡诺定理

卡诺循环与卡诺定理 一、卡诺热机 1.卡诺定理的提出 从19世纪起,蒸汽机在工业、交通运输中起到愈来愈重要的作用。但是,蒸汽机的效率是很低的,还不到5%,有95%以上的热量都没有得到利用。在生产需要的推动下,一大批科学家和工程师开始由理论上来研究热机的效率。萨迪·卡诺(Sadi Carnot,1796—1832),这位法国工程师正是其中的一位。 当时盛行热质说,普遍认为热也是一种没有重量、可以在物体中自由流动的物质。卡诺也信奉热质说,他在他的论文《关于热的动力的思考》中有这样一段话:“我们可以恰当地把热的动力和一个瀑布的动力相比。……瀑布的动力依赖于它的高度和水量;热的动力依赖于所用的热质的量和我们可以称之为热质的下落高度,即交换热质的物体之间的温度差。”在这里,卡诺关于“热只在机器中重新分配,热量并不消耗”的观点是不正确的,他没有认识到热和功转化的内在的本质联系。但是卡诺定理的提出,却是一件具有划时代意义的事。 2.卡诺循环 热力学理论指出,要实现一个可逆循环过程,必须使循环过程中的每一分过程都是可逆的。而要实现过程的可逆,除了要使过程没有摩擦存在以外,更重要 的就是要求过程的进行是准静态的。如下图: 要完成一个双热源的可逆循环,其方式应当是由两个等温过程与两个绝热过程组成,如下图: 卡诺循环的效率为: 其中T2为低温热源的温度,T1为高温热源的温度。 3.卡诺定理及其推论 (1). 卡诺定理(Carnot principle):在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热 机,以可逆热机的热效率为最高。即在恒温T1、T2下,ηt,IR≤ηt,R.

熵增加原理

熵增加原理 热力学第一定律是能量的定律,热力学第二定律是熵的法则.相对于“能量”,“熵”的概念比较抽象.但随着科学的发展,“熵”的意义愈来愈重要.本文从简述热力学第二定律的建立过程着手,从各个侧面讨论“熵”的物理本质、科学内涵,以加深对它的理解. “熵”是德国物理学家克劳修斯在1865年创造的一个物理学名词,其德语为entropie,简单地说,熵表示了热量与温度的比值,具有商的意义.1923年5月25日,普朗克在南京的东南大学作“热力学第二定律及熵之观念”的学术报告时,为其作现场翻译的我国著名物理学家胡刚复根据entropie的物理意义,创造了“熵”这个字,在“商”旁加火字表示这个热学量. 一、热力学第二定律 1.热力学第二定律的表述 19世纪中叶,克劳修斯(R.E.Clausius,德,1822—1888)和开尔文(KelvinLord即W.Thomson,英1824—1907)分别在证明卡诺定理时,指出还需要一个新的原理,从而发现了热力学第二定律. 克劳修斯1850年的表述为,不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化.1865年,克劳修斯得出了热力学第二定律的普遍形式:在孤立系统中,实际发生的过程总是使整个系统的熵值增加,所以热力学第二定律又称“熵增加原理”.其数学表示为 SB-SA= , 或 dS≥dQ/T(无穷小过程). 式中等号适用于可逆过程. 开尔文1951年的表述为,不可能从单一热源吸热使之完全变成有用的功而不引起其他变化,开氏表述也可以称为,第二类永动机是不可能造成的.所谓第二类永动机是指能从单一热源吸热,使之完全变成有用的功而不产生其他影响的机器,该机不违反热力学第一定律,它能从大气或海洋这类单一热源吸取热量而做功. 2.热力学第二定律的基本含义 热力学第二定律的克氏表述和开氏表述具有等效性,设想系统经历一个卡诺循环,可以证明,若克氏表述不成立,则开氏表述也不成立;反之,亦能设想系统完成一个逆卡诺循环,如果开氏表述不成立,则克氏表述也不成立. 克氏表述和开氏表述直接指出,第一,摩擦生热和热传导的逆过程不可能自动发生,也就是说摩擦生热和热传导过程具有方向性;第二,这两个过程一经发生,就在自然界留下它的后果,无论用怎样曲折复杂的方法,都不可能将它留下的后果完全消除,使一切恢复原状.只有无摩擦的准静态过程被认为是可逆过程.

熵与熵增原理

2.2 熵的概念与熵增原理 2.2.1 循环过程的热温商 T Q 据卡诺定理知: 卡诺循环中热温商的代数和为:0=+H H L L T Q T Q 对应于无限小的循环,则有: 0=+H H L L T Q T Q δδ 对任意可逆循环过程,可用足够多且绝热线相互恰好重叠的小卡诺循环逼近.对每一个卡诺可逆循环,均有: 0,,,,=+ j H j H j L j L T Q T Q δδ 对整个过程,则有: 0)( )( ,,,,==+ ∑∑j R j j j H j H j L j L j T Q T Q T Q δδδ 由于各卡诺循环的绝热线恰好重叠,方向相反,正好抵销.在极限情况下,由足够多的小卡诺循环组成的封闭曲线可以代替任意可逆循环。故任意可逆循环过程热温商可表示为: ?=0)( R T Q δ 即在任意可逆循环过程中,工作物质在各温度所吸的热(Q )与该温度之比的总和等于零。 据积分定理可知: 若沿封闭曲线的环积分为,则被积变量具有全微分的性质,是状态函数。 2.2.2 熵的定义——可逆过程中的热温商 在可逆循环过程,在该过程曲线中任取两点A 和B,则可逆曲线被分为两条,每条曲线所代表的过程均为可逆过程.对这两个过程,有: 0)()(=+??B A A B R R b a T Q T Q δδ 整理得: ??=B A B A R R b a T Q T Q )( )( δδ 这表明,从状态A 到状态B,经由不同的可逆过程,它们各自的热温商的总和相等.由于所选的可逆循环及曲线上的点A 和B 均是任意的,故上列结论也适合于其它任意可逆循环过程. 可逆过程中,由于?B A R T Q )( δ的值与状态点A 、B 之间的可逆途径无关,仅由始末态决定, 具有状态函数的性质。同时,已证明,任意可逆循环过程中r T Q ??? ??δ 沿封闭路径积分一周为 p V p

发动机原理

名词解释: 热力过程、比热、定压比热、定容比热、热力系统、状态参数、卡诺循环、膨胀功、导热、热力循环、正向循环、逆向循环、对流换热、黑体、热辐射、辐射换热、升功率、传热过程、过量空气系数、空燃比、平均指示压力、平均有效压力、燃油消耗率、强迫着火、自燃着火、速度密度控制、质量流量控制、节流速度控制、早火、表面点火、爆震、二次喷射、隔次喷射、续断喷射、终*温度(干点)、闪点、辛烷值、十六烷值、汽醇、惊奇马赫数、充气效率、残余废气系数 低热值、高热值、放热规律、燃烧噪声、示功图、示热图。 补充知识:热工基础知识: 1、在最高温度及最高压力一定时,内燃机的混**热循环和定容循环的热效率大小关系是怎样的,利用T-S图进行分析。 2、什么是卡诺循环,请写出它的热效率公式。 3、热机循环的循环净功越大则循环热效率也越高,写出热机循环的计算公式。 第一章、发动机的性能 一、什么是发动机的指示指标和有效指标?主要有哪些? 二、指出指示热效率、有效效率、机械效率三者间的关系。 三、(1)内燃机的机械损失主要由哪几部分组成? (2)简要介绍测量内燃机机械损失的几种方法。 四、(1)表示动力性和经济性的指标有哪些? (2)采取何种措施可提高内燃机的动力性和经济性? 五、试述内燃机的实际循环与理论循环的差异。 六、平均有效压力和升功率作为评定发动机动力性能方面有何区别? 七、(1)内燃机的三种基本理论循环是什么?各由哪几个过程组成?它们分别适用于哪种发动机? 2、指出压缩比e,压力升高比“入”、预胀比p和绝热指数k对循环功W0以及理论热效率n的影响。 (3)为什么柴油机的热效率要显著高于汽油机? 八、内燃机实际循环由哪五个过程组成?试逐个分析各过程的特点。 第二章、发动机的换气过程 一、(1)为什么内燃机进、排气门要早开、迟闭? (2)各自所对应角度的大小对内燃机的性能有何影响? (3)增压和非增压内燃机的气门叠开角有何差异?为什么? 二、什么是进气马赫数?它对充气系数有什么影响? 三、什么是可变配气定时?其目的是什么? 四、讨论提高四冲程内燃机充气效率的措施。 五、(1)从哪些方面(指标)来综合评定内燃机配气定时的合理性? (2)通过哪一配气定时角度可调整上述评定指标? 六、讨论降低进气系统流通阻力的技术措施。

卡诺循环与卡诺定理

卡诺循环与卡诺定理 一、卡诺热机 1.卡诺定理的提出 从19世纪起,蒸汽机在工业、交通运输中起到愈来愈重要的作用。但是,蒸汽机的效率是很低的,还不到5%,有95%以上的热量都没有得到利用。在生产需 要的推动下,一大批科学家和工程师开始由理论上来研究热机的效率。萨迪·卡诺 (Sadi Carnot,1796—1832),这位法国工程师正是其中的一位。 当时盛行热质说,普遍认为热也是一种没有重量、可以在物体中自由流动的物质。卡诺也信奉热质说,他在他的论文《关于热的动力的思考》中有这样一段话:“我们可以恰当地把热的动力和一个瀑布的动力相比。……瀑布的动力依赖于它的 高度和水量;热的动力依赖于所用的热质的量和我们可以称之为热质的下落高度,即交换热质的物体之间的温度差。”在这里,卡诺关于“热只在机器中重新分配,热量并不消耗”的观点是不正确的,他没有认识到热和功转化的内在的本质联系。 但是卡诺定理的提出,却是一件具有划时代意义的事。 2.卡诺循环 热力学理论指出,要实现一个可逆循环过程,必须使循环过程中的每一分过程都是可逆的。而要实现过程的可逆,除了要使过程没有摩擦存在以外,更重要的就 是要求过程的进行是准静态的。如下图: 要完成一个双热源的可逆循环,其方式应当是由两个等温过程与两个绝热过程组成,如下图: 卡诺循环的效率为: 其中T 2 为低温热源的温度,T1为高温热源的温度。 3.卡诺定理及其推论 (1). 卡诺定理(Carnot principle):在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机, 以可逆热机的热效率为最高。即在恒温T1、T2下,η t,IR ≤η t,R.

卡诺的证明基于热质说,是错误的。下面给出克劳修斯在1850年给出的反证法: (2). 卡诺定理的推论: A. 不可能制造出在两个温度不同的热源间工作的热机,而使其效率超过在同样热源间工作的可逆热机。证明如下: B. 在两个热源间工作的一切可逆热机具有相同的效率。证明如下: 结论:由卡诺定理的两个推论我们可以得出——卡诺循环的热效率最大。

19.循环过程和卡诺循环

《大学物理》作业 No.19 循环过程和卡诺循环 班级 ________ 学号 ________ 姓名 _________ 成绩 _______ 一、选择题 1.定量理想气体经历的循环过程用V —T 曲线表示如图,在此循环过程中,气体从外界吸热的过程是 [ ] (A) A →B. (B) B →C. (C)C →A. (D) B →C 和C →A. 2. 如果卡诺热机的循环曲线所包围的面积从图中的a b c d a 增大为 a b 'c 'd a ,那么循环a b c d a 与a b 'c 'd a 所作的功和热机效率变化情况是: [ ] (A) 净功增大,效率提高。 (B) 净功增大,效率降低。 (C) 净功和效率都不变。 (D) 净功增大,效率不变。 3.一定量某理想气体所经历的循环过程是:从初态(V 0 ,T 0)开始,先经绝热膨胀使其体积增大1倍,再经等容升温回复到初态温度T 0, 最后经等温过程使其体积回复为V 0 , 则气体在此循环过程中 [ ] (A) 对外作的净功为正值. (B) 对外作的净功为负值. (C) 内能增加了. (D) 从外界净吸收的热量为正值. 二、 填空题 1.如图的卡诺循环:(1)abcda ,(2)dcefd ,(3)abefa ,其效率分别为: η1= ; η2= ; η3= . 2.卡诺致冷机,其低温热源温度为T 2=300K,高温热源温度为T 1=450K,每一循环从低温热源吸热Q 2=400J,已知该致冷机的致冷系数ω=Q 2/A=T 2/(T 1-T 2) (式中A 为外界对系统作的功), 则每一循环中外界必须作功A = . 3.以理想气体为工作物质的热力学系统,经历一循环过程,回到初始状态,其内能的增量 = 。

论卡诺循环

论卡诺循环 一.引言 通过将近一学期物理化学的学习,对物理化学这一学科有了粗略的认识以及肤浅的理解。其中,对卡诺循环,卡诺热机这一方面比较感兴趣,并且查阅了相关材料,还有自己对其的理解,写了此篇物化小论文。 二.尼古拉·雷奥纳德·卡诺 尼古拉·雷奥纳德·卡诺(Nicolas Leonard Sadi Carnot,1796~1823)法国物理学家、军事工程师。卡诺提出了作为热力学重要理论基础的卡诺循环和卡诺定理,从理论上解决了提高热机效率的根本途径。1832年8月24日卡诺因染霍乱症在巴黎逝世,年仅36岁。 三.卡诺热机的由来 随着蒸汽机的发明,第一次工业革命在欧洲逐渐兴旺起来。蒸汽机在法国和英国等国家创造了极大的价值,使工业话生产极大的代替了手工生产,增加了国力和财力。作为法国人的卡诺亲自经历了这次巨大的变革,然而,他也切实的看到人们仅仅是能运用热机代替人力,但是对热机效率及工作原理的理论认识还不够深入。为了解决当时对热机的两个集中的问题:(1)热机效率是否有一极限?(2)什么样的热机工作物质是最理想的?卡诺不是盲从但是主流的工程师们就事论事,从热机的适用性、安全性和燃料的经济性几个方面来改进热机。卡诺是采用了截然不同的途径,他不是研究个别的热机,而是寻求一种可以作为一般热机的比较标准的理想热机。 卡诺抛弃“热质”学说的原因,首先是受菲涅耳(A.J.Fresnel,1788-1827)的影响。菲涅耳认为光和热是一组相似的现象,既然光是物质粒子振动的结果,那么热也应当是物质粒子振动的结果,是物质的一种运动形式,而不是什么虚无缥缈没有质量的东西。卡诺接受了菲涅耳的设想,他一方面运用热的动力学新概念重新审度他在1824年提出的热机理论,发现只要用“热量”一词代替“热质”,他的理论仍然成立。另一方面,他又深入研究伦福德伯爵(C.Rrmford)和戴维(H.Davy)的磨擦生热的实验,并计划用实验来揭示在液体或气体中的磨擦热效应的定量关系,他计算出热功当量为3.7焦耳/卡,比焦耳(J.P.Joule)的工作超前将近20年。

卡诺循环

卡诺循环 一.关键字:卡诺热机、物理、化学、卡诺循环、等温压缩、绝热膨胀、状态、压缩、效率、温度、原理、定温。 二.引言 通过将近一学期物理的学习,对物理这一学科有了粗略的认识以及肤浅的理解。其中,对卡诺循环,卡诺热机这一方面比较感兴趣,并且查阅了相关材料,还有自己对其的理解,写了此篇文章。 物理学与化学,作为自然科学的两个分支,关系十分密切,任何一种化学变化总是伴随着物理变化,物理因素的作用也都会引起化学变化,自然科学中化学和物理历来是亲如兄弟、相辅相成的两个基本学科,它们虽曾有过约定俗成的分工,各司其职,但非各自为战,“化学和物理合在一起,在自然科学中形成了一个轴心”。就拿卡诺循环来说,卡诺循环在物理学与化学方面都有重要应用。下面我从三方面介绍卡诺循环。 三.尼古拉·雷奥纳德·卡诺 尼古拉·雷奥纳德·卡诺(Nicolas Leonard Sadi Carnot,1796~1823)法国物理学家、军事工程师。卡诺提出了作为热力学重要理论基础的卡诺循环和卡诺定理,从理论上解决了提高热机效率的根本途径。1832年8月24日卡诺因染霍乱症在巴黎逝世,年仅36岁。 四.卡诺循环的定义 卡诺循环(Carnot cycle) 是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的,以分析热机的工作过程,卡诺循环包括四个步骤:等温膨胀,绝热膨胀,等温压缩,绝热压缩。即理想气体从状态1(P1,V1,T1)等温膨胀到状态2(P2,V2,T2),再从状态2绝热膨胀到状态3(P3,V3,T3),此后,从状态3等温压缩到状态4(P4,V4,T4),最后从状态4绝热压缩回到状态1。这种由两个等温过程和两个绝热过程所构成的循环称为卡诺循环。 五.卡诺热机的原理 设一热机中有一定量的工质,工作在温度分别为T1和T2的两恒温热源间。卡诺循环由两个可逆的定温过程和两个可逆的绝热过程(定熵)组成 四个过程的顺序如下:

热力学第二定律和卡诺循环

热力学第二定律与卡诺循环 203 汪艺塍 各位看到这个标题时,麻烦等下再翻下一版。毕竟有(tao )趣(yan )的热力学第二定律,可以被讨(you )厌(qu )的人们拿去发展为宇宙的“热寂说”、买彩票中奖的几率甚至是离婚的原因blabla 的。由此可见其重要性。而且2016年全国卷涉及热学内容,希望有兴趣的同学能继续看下去。 热力学第零定律和第一定律向来没有太多质疑,而对于热力学第二定律,却自提出之日起却争议不断。最有影响力的质疑当属麦克斯韦提出的“麦克斯韦妖”① 。不过目前尚未能否定此定律的正确性。 热力学第二定律实际上是对热力学过程不可逆性的表述,即物质总是趋向于混乱的,一切自发进行的过程都不可自发复原。 早在1824年,卡诺提出的卡诺定理②已十分接近热力学第二定律,但卡诺是已当时流 行的“热质说”③加上能量守恒定律解释。如果不从“热质说”而正确推导出卡诺定理,那么就缺乏一条定律。克劳修斯据此提出热力学第二定律。 热力学第二定律有两种主要表述: (1)克劳修斯表述(1850年) 不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化; (2)开尔文(汤姆孙)表述(1851年) 不可能从单一热源吸取热量,使之完全转化为有用功而不产生其他影响 或表述为:第二类永动机④不可能存在。 我们想要论证二者等价性,此时引入卡诺循环。 这是卡诺提出的一种理想的可逆热机,其工作时的V -p 图象如下所示: ①过程B A →为等温膨胀,温度为1T ,吸热ab Q ; ②过程C B →为绝热膨胀,温度由1T 降为2T , =ab Q 吸热为0; ③过程D C →为等温压缩,温度为2T ,放热cd Q ; ④过程A D →为绝热压缩,温度由1T 升为2T ,放 热为0。 由理想气体状态方程、热力学第一定律和绝热过程泊松公式⑤ ?????=+?=?=)(常数C pV W Q U RT pV γν 可以得到: (1)对于等温过程①和③:

概述卡诺循环

概述卡诺循环 摘要:本文简述了卡诺当时是如何提出这一理想循环过程的,以及卡诺热机理论---热机只能在具有温差的两个热源之间工作;热机的效率于工作介质无关而主要取决于两个热源之间的温差。卡诺循环的基本原理,P-V图,热机效率。卡诺循环是理想化的可逆循环,其效率是最高的,但是实际热机的效率都比理想化的可逆卡诺热机效率低得多。 关键词:卡诺循环;绝热过程;卡诺循环原理;P-V图;热机效率 一、卡诺循环的提出 尼古拉·雷奥纳德·卡诺(Nicolas Leonard Sadi Carnot,1796~1823)生于巴黎,是法国物理学家、军事工程师。其父L.卡诺是法国有名的数学家、将军和政治活动家,学术上很有造诣,对卡诺的影响很大。卡诺提出了作为热力学重要理论基础的卡诺循环和卡诺定理,从理论上解决了提高热机效率的根本途径。1832年8月24日卡诺因染霍乱症在巴黎逝世,年仅36岁。按照当明的防疫条例,霍乱病者的遗物一律付之一炬。卡诺生前所写的大量手稿被烧毁,幸得他的弟弟将他的小部分手稿保留了下来,其中有一篇是仅有21页纸的论文----《关于适合于表示水蒸汽的动力的公式的研究》,其余内容是卡诺在1824-1826年间写下的23篇论文。 卡诺当时是如何提出这一理想循环过程的?他研究的方法是什么?具体地说就是,为什么卡诺认为理想热机的循环过程中,从高、低温热源吸、放热过程一定要是等温过程?卡诺为何要选气体(理想)作为理想热机的工质?具体分析如下:随着蒸汽机的发明,第一次工业革命在欧洲逐渐兴旺起来。蒸汽机在法国和英国等国家创造了极大的价值,使工业化生产极大的代替了手工生产,增加了国力和财力。作为法国人的卡诺亲自经历了这次巨大的变革,然而,他也切实的看到人们仅仅是能运用热机代替人力,但是对热机效率及工作原理的理论认识还不够深入。蒸汽机发明以后,它的效率很低。到18世纪末,只有3%左右,即有约97%的热量得不到利用。当时有不少人为提高其效率而继续进行研究。为了解决当时对热机的两个集中的问题:(1)热机效率是否有一极限?(2)什么样的热机工作物质是最理想的?卡诺不是盲从当时主流的工程师们就事论事,从热机的适用性、安全性和燃料的经济性几个方面来改进热机。卡诺是采用了截然不同的途径,他不是研究个别的热机,而是寻求一种可以作为一般热机的比较标准的理想热机。 卡诺的父亲是法国大革命中“胜利的组织家”拉萨尔·卡诺。1816年,因其父被流放而从军中退役,专心研究热机理论。他给自己提出的目标是,阐明热机的工作原理,找出热机不完善的原因,以提高热机的效率。当时,卡诺相信热质说。于是,他把热量从高温热源经过热动力机传入低温热源时能够做功,看作水从高

逆卡诺循环原理

第1章空调制冷原理与基础 采用压缩机使气态制冷剂增压的制冷机称蒸气压缩式制冷机(简称蒸气制冷机)。对制冷剂蒸气只进行一次压缩,称为蒸气单级压缩。单级蒸气压缩式制冷机是目前应用最广泛的一种制冷机。这类制冷机设备比较紧凑,可以制成大、中、小型,以适应不同场合的需要,能达到的制冷温度范围比较宽广,从稍低于环境温度至-150℃,在普通制冷温度范围内具有较高的循环效率,被广泛地应用于国民经济的各个领域中。 蒸气压缩式制冷循环,根据实际应用有单级、多级、复叠式等循环之分,在各种蒸气压缩式制冷机中,单级压缩制冷机应用最广,是构成其他蒸气压缩式制冷机的基础,据不完全统计,全世界单级蒸气压缩式制冷机的数量是制冷机总数的75%以上。因此,我们的介绍主要针对单级压缩式制冷机。

1.单级蒸气压缩式制冷循环——逆卡诺循环 在日常生活中我们都有这样的体会,如果给皮肤上涂抹酒精液体时,就会发现皮肤上的酒精很快干掉,并给皮肤带来凉快的感觉,这是什么原因呢?这是因为酒精由液体变为气体时吸收了皮肤上热量的缘故。由此可见,液体汽化时要从周围物体吸收热量。单级蒸气压缩式制冷,就是利用制冷剂由液体状态汽化为蒸气状态过程中吸收热量,被冷却介质因失去热量而降低温度,达到制冷的目的。制冷剂 1.1 逆卡诺循环——理想制冷循环 几个概念 焓h=U+PV 表示工质流动能和内能之和。 熵S=△Q/T 表示工质热量变化与工质温度之商。 温熵图 它由两个等温过程和两个绝热过程组成。假设低温热源(即被冷却物体)的温度为T0,高温热源(即环境介质)的温度为T k, 则工质的温度在吸热过程中为T0,在放热过程中为T k, 就是说在吸热和放热过程中工质与冷源及高温热源之间没有温差,即传热是在等温下进

熵最大原理

一、熵 物理学概念 宏观上:热力学定律——体系的熵变等于可逆过程吸收或耗散的热量除以它的绝对温度(克劳修斯,1865) 微观上:熵是大量微观粒子的位置和速度的分布概率的函数,是描述系统中大量微观粒子的无序性的宏观参数(波尔兹曼,1872) 结论:熵是描述事物无序性的参数,熵越大则无序。 二、熵在自然界的变化规律——熵增原理 一个孤立系统的熵,自发性地趋于极大,随着熵的增加,有序状态逐步变为混沌状态,不可能自发地产生新的有序结构。 当熵处于最小值, 即能量集中程度最高、有效能量处于最大值时, 那么整个系统也处于最有序的状态,相反为最无序状态。 熵增原理预示着自然界越变越无序 三、信息熵 (1)和熵的联系——熵是描述客观事物无序性的参数。香农认为信息是人们对事物了解的不确定性的消除或减少,他把不确定的程度称为信息熵(香农,1948 )。 随机事件的信息熵:设随机变量ξ,它有A1,A2,A3,A4,……,An共n种可能的结局,每个结局出现的概率分别为p1,p2,p3,p4,……,pn,则其不确定程度,即信息熵为 (2)信息熵是数学方法和语言文字学的结合。一个系统的熵就是它的无组织程度的度量。熵越大,事件越不确定。熵等于0,事件是确定的。 举例:抛硬币, p(head)=0.5,p(tail)=0.5 H(p)=-0.5log2(0.5)+(-0.5l og2(0.5))=1 说明:熵值最大,正反面的概率相等,事件最不确定。 四、最大熵理论 在无外力作用下,事物总是朝着最混乱的方向发展。事物是约束和自由的统一体。事物总是在约束下争取最大的自由权,这其实也是自然界的根本原则。在已知条件下,熵最大的事物,最可能接近它的真实状态。

逆卡诺循环原理

逆卡诺循环是理想的可逆制冷循环,它是由两个定温过程和两个绝热过程组成。循环时,高、低温热源恒定,制冷工质在冷凝器和蒸发器中与热源间无传热温差,制冷工质流经各个设备中不考虑任何损失,因此,逆卡诺循环是理想制冷循环,它的制冷系数是最高的,但工程上无法实现。(见笔记,关键在于运动无摩擦,传热我温差) 2):工程中,由于液体在绝热膨胀前后体积变化很小,回收的膨胀功有限,且高精度的膨胀机也很难加工。因此,在蒸汽压缩式制冷循环中,均由节流机构(如节流阀、膨胀阀、毛细管等)代替膨胀机。此外,若压缩机吸入的是湿蒸汽,在压缩过程中必产生湿压缩,而湿压缩会引起种种不良的后果,严重时产生液击,冲缸事变,甚至毁坏压缩机,在实际运行时严禁发生。因此,在蒸汽压缩式制冷循环中,进入压缩机的制冷工质应是干饱和蒸汽(或过热蒸汽),这种压缩过程为干压缩。 2.对单紦骠汽压缩制冷理论循环作哪些假设?与实际循环有何区别? 答:1)理论循环假定:①压缩过程是等熵过程;②节流过程是等焓过程;③冷凝器内压降为零,入口为饱和液体,传热温差为零,蒸发器内压降为零,入口为饱和蒸汽,传热温差为零; ④工质在管路状态不变,压降温差为零。 2)区别:①实际压缩过程是多变过程;②冷凝器入口为过冷液体;③蒸发器入口为过热蒸汽; ④冷凝蒸发过程存在传热温差tk=t+Δtkto=t-Δto。 3.什么是制冷循环的热力完善度?制冷系数?C.O.P值?E.E.R?什么(_shen me)是热泵的供热系数? 答:1)通常将工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数εs与逆卡诺制冷循环的制冷系数εk之比,称为热力完善度,即:η=εs/εk。 2)制冷系数是描述评价制冷循环的一个重要技术经济指标,与制冷剂的性质和制冷循环的工作条件有关。通常冷凝温度tk越高,蒸发温度to越低,制冷系数ε0越小。公式:ε0=T0 /(Tk—T0) 3)实际制冷系数(εs)又称为性能系数,用C.O.P表示,也可称为单位轴功率制冷量,用Ke值表示。注:εs=Q0/Ne=Q0/N0·ηs=ε0·ηs。Q0是制冷系统需要的制冷量;制冷压缩机的理论功率N0、轴功率Ne;ε0是理论制冷系数;ηs是总效率(绝热效率)。 4)E.F.R是指热力完善度,既是指在工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数εs与逆卡诺制冷循环的制冷系数εk之比。 E.F.R=q0/wel=ε0·ηel=ε0·ηiηmηeηd 式中:wel—电机输入比功; 5)热泵(_re4 beng4)的供热系数是描述评价热泵循环的一个重要技术经济指标。 4.制冷系数. 答:(da1 _)φ=QH/W= Th/(Th—T)=1+ε>1 同一台机的相同工况下作热泵使用与作制冷机使用的热泵系数与制冷系数关系。 5.为什么要采用回热循环?液体过冷,蒸汽过热对循环各性能参数有何影响? 答:1)采用回热循环,使节流前的常温液体工质与蒸发器出来的低温蒸汽进行热交换,这样不仅可以增加节流前的液体过冷度提高单位质量制冷量,而且可以减少甚至消除吸气管道中的有害过热。 2)液体过冷,可以使循环的单位质量制冷量增加,而循环的压缩功并未增加,故液体过冷最终使制冷循环的制冷系数提高了。 蒸汽过热循环使单位压缩功增加了,冷凝器的单位热负荷也增加了,进入压缩机蒸汽的比容也增大了,因而压缩机单位时间内制冷工质的质量循环量减少了,故制冷装置的制冷威力降

制冷原理逆卡诺循环

卡诺循环 1824年,法国青年工程师卡诺研究了一种理想热机的效率,这种热机的循环过 程叫做“卡诺循环”。这是一种特殊的,又是非常重要的循环,因为采用这种循环的热机效率 最大。 卡诺循环是由四个循环过程组成,两个绝热过程和两个等温过程。它是1824年N.L.S. 卡诺(见卡诺父子)在对热机的最大可能效率问题作理论研究时提出的。卡诺假设工作物质 只与两个恒温热源交换热量,没有散热、漏气、磨擦等损耗。为使过程是准静态过程,工作 物质从高温热源吸热应是无温度差的等温膨胀过程,同样,向低温热源放热应是等温压缩过程。因限制只与两热源交换热量,脱离热源后只能是绝热过程。作卡诺循环的热机叫做卡诺 热机。 卡诺进一步证明了下述卡诺定理:①在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一 切可逆热机的效率都相等,与工作物质无关,为,其中T1、T2分别是高温和低温热源的绝 对温度。②在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机的效率不可能大 于可逆卡诺热机的效率。可逆和不可逆热机分别经历可逆和不可逆的循环过程。 阐明 卡诺定理阐明了热机效率的限制,指出了提高热机效率的方向(提高T1、降低T2、减 少散热、漏气、摩擦等不可逆损耗,使循环尽量接近卡诺循环),成为热机研究的理论依据、热机效率的限制、实际热力学过程的不可逆性及其间联系的研究,导致热力学第二定律的建立。 在卡诺定理基础上建立的与测温物质及测温属性无关的绝对热力学温标,使温度测量建 立在客观的基础之上。此外,应用卡诺循环和卡诺定理,还可以研究表面张力、饱和蒸气压 与温度的关系及可逆电池的电动势等。还应强调,卡诺定理这种撇开具体装置和具体工作物 质的抽象而普遍的理论研究,已经贯穿在整个热力学的研究之中。 逆卡诺循环奠定了制冷理论的基础,逆卡诺循环揭示了空调制冷系数(俗称EER或COP)的极限。一切蒸发式制冷都不能突破逆卡诺循环。 理论 在逆卡诺循环理论中间,要提高空调制冷系数就只有以下二招: 1。提高压机效率,从上面推导可以发现小型空调理论上只存在效率提高空间19%;大型螺杆水机效率提高空间9%。 2。膨胀功损失与内部摩擦损失(所谓内部不可逆循环):其中减少内部摩擦损失几乎 没有空间与意义。在我们songrui版主的液压马达没有问世之前,解决膨胀功损失的唯一方 法是采用比容大的制冷剂,达到减少输送质量的目的。如R410A等复合冷剂由于比容较R22大,使膨胀功损失有所减少,相对提高了制冷系数。但是就目前情况看通过采用比容大的制 冷剂,制冷系数提高空间不会超过6%。(极限空间12%) 工作原理 根据逆卡诺循环基本原理:

社会的进步与熵增原理

社会的进步与熵增原理 作者:时东陆 文章来源:世纪中国 如果我们能看到橡皮筋的分子结构,我们会发现它的结构在拉紧和放松的状态时是不一样的。放松的时候它的分子结构像一团乱麻交织在一起。而在把橡皮筋拉长的时候,那些如同链状的分子就会沿着拉伸的方向比较整齐地排列起来。于是我们可以看到两种状态:一种是自然,或者自发的状态。在这种状态下结构呈“混乱”或“无序”状。而另一种是在外界的拉力下规则地排列起来的状态。这种“无序” 的状态还可以从分子的扩散中观察到。用一个密封的箱子,中间放一个隔板。在隔板的左边空间注入烟。我们把隔板去掉,左边的烟就会自然(自发)地向右边扩散,最后均匀地占满整个箱体。这种状态称为“无序”。 在物理学里我们可以用“熵”的概念来描述某一种状态自发变化的方向[熊吟涛,1964;Cengetl & Boles,2002]。比如把有规则排列的状态称为“低熵”而混乱的状态对应于“高熵”。而熵则是无序性的定量量度。热力学第二定律的结论是:“一个孤立系统的熵永不减少。”换句话说,物质世界的状态总是自发地转变成无序;“从低熵”变到“高熵”。比如,当外力去除之后,整齐排列的分子就会自然地向紊乱的状态转变;而箱子左边的烟一定会自发地向右边扩散。这就是著名的“熵增定律”。然而第二热力学定律仅仅是在科学上应用于物质世界。那么它是否可以用来解释人类社会的发展?如果要回答这个问题,我们首先必须定义人类社会状态的“无序”程度,然后寻找它在历史进程中的自然走向。 但是如何来定义社会状态的“无序”程度呢? 这也许是问题的关键。因为我们必须首先定义什么是相对更加“紊乱”的状态。让我们再来看一个极为简单的例子。就用大家熟悉的围棋。如果我们先把白子在棋盘的一边摆成一排,然后紧接第一排再用黑子与其平行也摆成一排。我们按照这种规则继续排下去,就可以得到黑白相间的平行排列。我们也可以每两排,或三排黑白子相间地排列下去。或者在棋盘上画出大小不同的区域。在每个区域中放入完全白色或黑色的棋子。以上这些排列都可以定义为“有规则的”状态。而这种状态对应于“低熵”。如果我们把这种排列完全打乱,比如把黑子和白子混乱地排放在一起,那么这是一种相对“紊乱” 的“高熵”状态。而混乱的极端是黑白子完全“均匀地”混合在一起。如果我们可以在人类社会中找出和棋子对应的状态来,那么就有可能定义社会的熵并进一步分析熵增现象。 对于人类,我们可以从文化的、政治的、社会的、道德的、还有商业的等几个方面去分析和观察。我们首先来讨论文化的状态。从围棋的例子中可以看出,有规则排列的棋子有一个特点,那就是在黑白棋子之间我们可以定义非常清楚的边界。对于混乱排列的情况,边界的定义就发生一定的困难。对于完全均匀混合的黑白棋子,我们无法定义任何边界。我们可以认为文化也是有边界的。一般来说,文化的边界在某种意义上可以与国家的边界吻合。比如,我们比较容易定义法国文化和日本文化的区别。当然世界上还可以找到许多文化的边界,如非洲文化和中国文化等等。这种情况类似于围棋的一种有规则的排列。或者可以说,如果世界的文化是相对有序的,那么它处于一种相对低熵的状态。我们现在来分析文化随时间的变化。 我们仅仅就近代而言,比如20世纪初到二战之后的时期,世界有清楚的文化边界。在

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