热力学中的焓和熵：定义、特性及应用

热力学中的焓和熵：定义、特性及应用

焓（Enthalpy）和熵（Entropy）是热力学中两个非常重要的概念，它们在描述能量转换、系统状态变化以及热力学过程的效率方面起着关键作用。

焓

焓是一个热力学状态量，它代表了一个系统中包含的总能量。具体来说，焓是内能和压力-体积功的总和。焓在制冷系统中的应用非常广泛，尤其是在制冷剂流动和状态变化的过程中。

定义

焓可以用公式表示为：[H = U + PV]
其中：

• (H) 是焓，
• (U) 是内能，
• (P) 是压力，
• (V) 是体积。

制冷系统中的应用

焓在制冷系统中用于描述制冷剂在各个关键部件（如蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀）中的能量变化。在实际操作中，我们使用比焓（specific enthalpy）来描述单位质量的制冷剂所含有的能量，单位为 kJ/kg。

膨胀阀的等焓节流

膨胀阀的作用是使制冷剂在压力上发生骤降，温度随之降低。膨胀阀在理想情况下被认为是等焓节流过程，即制冷剂在节流过程中，虽然压力和温度发生变化，但其焓值保持不变。这意味着在膨胀阀内部，制冷剂的内能和压强的乘积变化相互抵消，从而不发生热量的交换。

熵

熵是描述热能转化为功的效率或程度的一个热力学量，它反映了系统的无序度或能量的散布程度。在制冷系统中，熵用于分析制冷剂在各个部件中的状态变化，特别是在压缩和膨胀过程中。

定义

熵是一个非常重要的物理量，它在不同领域中有不同的解释，但基本含义都是描述系统的无序程度或不确定性。在热力学中，熵反映了能量的分散程度，强调了自然过程中的不可逆性；在统计力学中，熵与系统的微观状态数目相关，反映了无序度；而在信息论中，熵则量化了信息的不确定性。

重要特性

• 非负性：熵始终大于或等于零。
• 可加性：熵可以对多个系统进行加和。
• 最大熵：在平衡态下，熵达到最大值。
• 熵增原理：孤立系统的熵总是增加的。
• 绝对零度下熵为零：接近绝对零度时，系统熵趋向于零。

物理意义

熵的变化反映了热量转移过程中的无序度变化。在一个理想的可逆过程（如等温过程）中，熵的总变化为零。对于不可逆过程（如实际的热机、压缩机），熵增加，表示有部分能量被“浪费”或分散成热量，不能完全转化为有用功。

总结

• 焓（Enthalpy）：是系统的总能量，包括内能和压力-体积做的功。焓常用于计算能量交换，尤其在恒压条件下，焓变化反映了系统吸收或释放的热量。
• 熵（Entropy）：是衡量能量散失程度或无序度的量。在热力学过程中，熵增加表示系统变得更加无序或能量转化过程中存在损失。

焓和熵是分析热力学系统中能量转换、热量传递和效率的关键工具，二者在工程应用、热力学循环（如卡诺循环、制冷循环）等方面起着至关重要的作用。

在制冷系统中，压缩机的“熵压缩”可以理解为理想的等熵压缩过程，即压缩机对气体进行压缩时，气体的熵不变，所有外部做的功转化为气体的内能。然而，在实际应用中，压缩过程不可避免地会有热损失，导致熵的增加。外界对系统做的功主要转化为气体内能，从而导致气体温度和压力的升高，同时，系统也会有热量的散失。