书城科普物理与生活
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第8章 生活中的热力学现象及应用

生活中无处不存在热力学现象,热力学现象的本质和原理亦来自生活。其实我们身边经常可以看到很多和热力学有关的现象,只是我们经常是不会去用学过的知识很好的联系和分析它。

比如家里用的空调,热水器,抽水泵,高压锅等等,都是我们身边很轻易就可以看到的例子。

(1)高压锅,大家并不陌生,现在还有很多家庭用来烧饭用的,我们来了解一下它工作时候的一些原理。

刚开始高压锅里面主要含有水和对应的食物,主要的变化过程是水和水蒸气的变化,密封高压锅里面的水经加热慢慢达到对应的温度压力下的饱和水,这个过程为预热阶段,所吸收的热量称为液体热。继续加热处于湿蒸汽状态,在此过程中对应的温度压力不变,称为饱和压力和饱和温度,一直到高压锅里面的水加热成干饱和蒸汽,这个过程称为气化阶段,所吸收的热量称为汽化潜热。继续对干饱和蒸汽加热,达到过热状态,即得到过热蒸汽。这主要是高压锅内部水和水蒸气的变化情况。

接着从过路内部压力和外部压力来分析高压锅气阀工作情况。每个高压锅都有对应的工作压力和压力释放阀动作值,一般高压锅工作压力在80kpa左右,压力释放阀动作值在120kpa左右,也就是説过热蒸汽继续加热到,压力阀外部压力和重力之和与内部气体的压力相平衡的时候就会将压力阀间歇性的顶起来,在内外压力差变化的时候内部高温高压蒸汽不断地派出去,里面的蒸汽比容将会随着时间的加长增大,里面的食物主要是靠着一定时间的高温高压蒸汽的作用煮烂煮熟。

(2)空调原理:空调制冷原理:空调器通电后,制冷系统内制冷剂的低压

蒸汽被压缩机吸入并压缩为高压蒸汽后排至冷凝器。同时轴流风扇吸入的室外空气流经冷凝器,带走制冷剂放出的热量,使高压制冷剂蒸汽凝结为高压液体。高压液体经过过滤器、节流机构后喷入蒸发器,并在相应的低压下蒸发,吸取周围的热量。同时贯流风扇使空气不断进入蒸发器的肋片间进行热交换,并将放热后变冷的空气送向室内。

如此室内空气不断循环流动,达到降低温度的目的。制热工作原理:热泵制热是利用制冷系统的压缩冷凝器来加热室内空气。空调器在制冷工作时,低压制冷剂液体在蒸发器内蒸发吸热而高温高压制冷剂在冷凝器内放热冷凝。热泵制热是通过电磁换向,将制冷系统的吸排气管位置对换。原来制冷工作蒸发器的室内盘管变成制热时的冷凝器,这样制冷系统在室外吸热向室内放热,实现制热的目的。

(3)肥皂泡日常生活中,我们常看到一些小朋友吹肥皂泡,一个个小肥皂泡从吸管中飞出,在阳光的照耀下,发出美丽的色彩。此时,小朋友们沉浸在欢乐和幸福之中,我们大人也常希望肥皂泡能飘浮于空中,形成一道美丽的风景。但我们常常是看到肥皂泡开始时上升,随后便下降,这是为什么呢?

这个过程和现象,我们只要留心想一下,就会发现,它其中包含着丰富的物理知识。

在开始的时候,肥皂泡里是从嘴里吹出的热空气,肥皂膜把它与外界隔开,形成里外两个区域,里面的热空气温度大于外部空气的温度。此时,肥皂泡内气体的密度小于外部空气的密度,根据阿基米德原理可知,此时肥皂泡受到的浮力大于它受到的重力,因此它会上升。这个过程就跟热气球的原理是一样的。

随着上升过程的开始和时间的推移,肥皂泡内、外气体发生热交换,内部气体温度下降,因热胀冷缩,肥皂泡体积逐步减小,它受到的外界空气的浮力也会逐步变小,而其受到的重力不变,这样,当重力大于浮力时,肥皂泡就会下降。

(4)香蕉球:

如果你经常观看足球比赛的话,一定见过罚前场直接任意球。这时候,通常是防守方五六个球员在球门前组成一道“人墙”,挡住进球路线。进攻方的主罚队员,起脚一记劲射,球绕过了“人墙”,眼看要偏离球门飞出,却又沿弧线拐过弯来直入球门,让守门员措手不及,眼睁睁地看着球进了大门。这就是颇为神奇的“香蕉球”。

为什么足球会在空中沿弧线飞行呢?原来,罚“香蕉球”的时候,运动员并不是拔脚踢中足球的中心,而是稍稍偏向一侧,同时用脚背摩擦足球,使球在空气中前进的同时还不断地旋转。这时,一方面空气迎着球向后流动,另一方面,由于空气与球之间的摩擦,球周围的空气又会被带着一起旋转。

这样,球一侧空气的流动速度加快,而另一侧空气的流动速度减慢。物理知识告诉我们:气体的流速越大,压强越小(伯努利方程)。由于足球两侧空气的流动速度不一样,它们对足球所产生的压强也不一样,于是,足球在空气压力的作用下,被迫向空气流速大的一侧转弯了。