熱力學分析通常包括三方面的內容：（1）確定過程中工質狀態變化的規律以及相應的狀態參數；（2）確定過程中能量轉換的數量關係；（3）揭示過程中的不可逆程度，反映能量轉換與利用的完善性。
基本介紹
- 中文名：熱力學分析
- 外文名：Thermodynamics Research
熱力學分析概述,對燃料電池的熱力學分析,岩體的熱力學分析,生活中的套用,
熱力學分析概述
熱力學是研究熱現象中，物質系統在平衡時的性質和建立能量的平衡關係，以及狀態發生變化時，系統與外界相互作用的學科。工程熱力學是關於熱現象的巨觀理論，研究的方法是巨觀的，它以歸納無數事實所得到的熱力學第一定律、熱力學第二定律和熱力學第三定律作為推理的基礎，通過物質的壓力 、溫度、比容等巨觀參數和受熱、冷卻、膨脹、收縮等整體行為，對巨觀現象和熱力過程進行研究。目前常用的三種熱力學分析方法，即焓分析、熵分析和火用分析。通過各種熱力學分析方法對能量轉換過程進行分析，改進裝換裝置，能夠更加合理的利用能量，對人類社會發展有著重要的意義。
熱力學分析通常包括三方面的內容：（1）確定過程中工質狀態變化的規律以及相應的狀態參數；（2）確定過程中能量轉換的數量關係；（3）揭示過程中的不可逆程度，反映能量轉換與利用的完善性。
具體步驟為：（1）根據具體情況，劃定系統；（2）根據過程特性，確定過程中狀態變化的特定規律；（3）用圖表示意出熱力過程；（4）根據合適的熱力學定律，列出平衡式，求解未知量。
對燃料電池的熱力學分析
目前，利用最多的能源是燃料的化學能。通過燃燒，燃料的化學能轉換成熱能，再將熱能轉換成機械能或者電能供人們使用。能源的開發利用，一方面為人類社會的發展提供了必需的能量，另一方面，不可再生的化石燃料的大量開採和使用最終後導致整個世界範圍內的資源枯竭和嚴重的環境污染問題。而且，熱能通過熱能動力裝置轉換為機械能的效率較低，即使是當代最先進的大型蒸汽動力裝置的熱效率也只稍超過了40%。因此，開發利用新能源、可再生能源以及提高能源轉換裝置的效率是目前解決能源與環境問題的有效方法,因而燃料電池發電技術以其高效、環保等特點逐漸受到人們的廣泛關注。
首先引入一個概念，那就是可逆電池。可逆電池是一個十分重要的概念，因為只有可逆電池才能進行嚴格的熱力學分析。可逆電池必須滿足兩個條件：
（1）電極反應必須是可逆的，即當電流方向改變時，電極反應隨之逆向進行。 以銅鋅電池為例，將外加電動勢E外與銅鋅電池對抗相聯，若銅鋅電池電動勢E>E外，則銅鋅電池對外放電，若E<E外，則外加電動勢對銅鋅電池充電。以上的討論可以看出銅鋅電池的電極反應是可逆的。
（2）電池工作時通過的電流應無窮小，也就是說在無限接近平衡的條件下工作。 滿足以上兩個條件的電池即是可逆電池，構成可逆電池的電極都是可逆電極。實際上並不是所有的電池都是可逆的。例如，將金屬銅和鋅插入HCl溶液中構成的電池就不是可逆電池。
再引入一個概念，那就是吉布斯函式，又叫作吉布斯自由能。吉布斯自由能定義：G=H-TS。G是一個由H和T，S組合得到的物理量，它具有能量的量綱。由於H，S，T都是狀態函式，因而G也必然是一個狀態函式。當體系發生變化時，G也隨之變化。其改變值△G，稱為體系的吉布斯自由能變，只取決於變化的始態與終態，而與變化的途徑無關： △G=G終-G始
按照吉布斯自由能的定義，可以推出當體系從狀態1變化到狀態2時，體系的吉布斯自由能變為：
△G=G2-G1=△H-△(TS)
對於等溫條件下的反應，有T1=T2=T，則△G=G2-G1=△H-T△S。（1）
在等溫等壓條件下，△G等於可逆過程的非體積功，對於燃料電池，非體積功就是電功，因此對於可逆電池有△G=Wr'。
燃料電池的電化學反應在等溫狀態下進行，這使得反應過程中的熵增減小，正是因為這種等溫反應，反應物中的火用沒有消耗在使產物溫度升高上，而是被更多地轉化為電能，反應過程中的不可逆損失與燃燒過程相比大大減少，從而提高了熱力學效率。
岩體的熱力學分析
岩石在變形破壞過程中始終不斷與外界交換著物質和能量 ，岩石的熱力學狀態也相應的不斷發生變化。根據非平衡熱力學理論，從理論上解釋了岩石變形破壞過程的能量耗散及能量釋放特徵。在岩石的變形破壞 過程中，熱量供給和岩石體積元的形狀及位置變化作為岩石體積元內塑性硬化、微缺陷形成等的能量源，導致彌散在岩石內部的微缺陷不斷演化 ，從無序分布逐漸向有序發展，形成巨觀裂紋，最終巨觀裂紋沿某一方位匯聚形成大裂紋導致整體失穩(災變)。從力學角度而言，它實際上就是一個從局部耗散到局部破壞最終到整體災變的過程。從熱力學上看，岩石(岩體)這一變形、破壞、災變過程是一種能量耗散的不可逆過程 ，包含能量耗散和能量釋放。兩者關係：岩體總體災變實質上是能量耗散和能量釋放的全過程 ，而災變瞬間是以能量釋放作為主要動力。
岩石變形破壞過程中的能量守恆：在岩石的變形破壞過程中，環境提供的能量包括外力所作的功和環境溫度帶來的熱能 。根據熱力學第一定律 ，這些能量將轉化為岩石的動能 、勢能及內能。不妨將岩石抽象為由一系列體積元組成的連續介質，每一體積元包含特定的礦物或類礦物成分以及其它岩石組織。當體積元足夠小時，是滿足非平衡熱力學的局域平衡假設的。
在外載的作用下，岩石體積元將發生變形，當所考察的時間步長較小時，這一變形可視為小變形。在一般情況下，對於岩石的變形破壞過程分析並不考慮體力的影響。岩石體積元的內能變化取決於4部分，一是靜水應力作用下體積變形引起的，二是應力偏量作用下形狀變化引起的，三是應力偏量作用下位置轉動引起的，四就是熱量流動引起的。除熱流外，其餘3 部分均與內力有關，可將其統稱為內力能的增量 ，而熱流部分則可稱為熱能的增量Q。於是單位時間內岩石體積元中內能的增量u 等於內力能增量 與熱能增量Q之和。可見，在岩石變形破壞過程中，岩石的內能變化主要取決於內力的變化以及熱量的流動。由於應力偏量的貢獻為非散度 形式 ，說明體積元 的內能並不是一個守恆量 。也就是說，由於應力偏量的作用，使得體積元內能的變化不一定僅僅由外部環境獲得，還可能由體積元內部的能量源—— 內力能產生。因此，岩石在變形破壞過程中的能量守恆是一個動態的過程，表現為外載機械能 、熱能與岩石內能的轉化與平衡。
生活中的套用
生活中無處不存在熱力學現象，熱力學現象的本質和原理亦來自生活。其實我們身邊經常可以看到很多和熱力學有關的現象，只是我們經常是不會去用學過的知識很好的聯繫和分析它。比如家裡用的空調，熱水器，抽水泵，高壓鍋等等，都是我們身邊很輕易就可以看到的例子。
高壓鍋，大家並不陌生，現在還有很多家庭用來燒飯用的，我們來了解一下它工作時候的一些原理。剛開始高壓鍋裡面主要含有水和對應的食物，主要的變化過程是水和水蒸氣的變化，密封高壓鍋裡面的水經加熱慢慢達到對應的溫度壓力下的飽和水，這個過程為預熱階段，所吸收的熱量稱為液體熱。繼續加熱處於濕蒸汽狀態，在此過程中對應的溫度壓力不變，稱為飽和壓力和飽和溫度，一直到高壓鍋裡面的水加熱成乾飽和蒸汽，這個過程稱為氣化階段，所吸收的熱量稱為汽化潛熱。繼續對乾飽和蒸汽加熱，達到過熱狀態，即得到過熱蒸汽。這主要是高壓鍋內部水和水蒸氣的變化情況。接著從過路內部壓力和外部壓力來分析高壓鍋氣閥工作情況。每個高壓鍋都有對應的工作壓力和壓力釋放閥動作值，一般高壓鍋工作壓力在80kpa左右，壓力釋放閥動作值在120kpa左右，也就是說過熱蒸汽繼續加熱到，壓力閥外部壓力和重力之和與內部氣體的壓力相平衡的時候就會將壓力閥間歇性的頂起來，在內外壓力差變化的時候內部高溫高壓蒸汽不斷地派出去，裡面的蒸汽比容將會隨著時間的加長增大，裡面的食物主要是靠著一定時間的高溫高壓蒸汽的作用煮爛煮熟。
空調也是我們生活中隨處可見的製冷制熱器。它主要是利用工質在壓縮膨脹過程中吸熱放熱來實現製冷制熱的。空調製冷原理：空調器通電後，製冷系統內製冷劑的低壓蒸汽被壓縮機吸入並壓縮為高壓蒸汽後排至冷凝器。同時軸流風扇吸入的室外空氣流經冷凝器，帶走製冷劑放出的熱量，使高壓製冷劑蒸汽凝結為高壓液體。高壓液體經過過濾器、節流機構後噴入蒸發器，並在相應的低壓下蒸發，吸取周圍的熱量。同時貫流風扇使空氣不斷進入蒸發器的肋片間進行熱交換，並將放熱後變冷的空氣送向室內。如此室內空氣不斷循環流動，達到降低溫度的目的。 制熱工作原理：熱泵制熱是利用製冷系統的壓縮冷凝器來加熱室內空氣。空調器在製冷工作時，低壓製冷劑液體在蒸發器內蒸發吸熱而高溫高壓製冷劑在冷凝器內放熱冷凝。熱泵制熱是通過電磁換向，將製冷系統的吸排氣管位置對換。原來製冷工作蒸發器的室內盤管變成制熱時的冷凝器，這樣製冷系統在室外吸熱向室內放熱，實現制熱的目的。
