《熵及其节能应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《熵及其节能应用（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、熵及其节能应用,熵的发展史,熵（entropy）指的是体系的混乱的程度，它在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等领域都有重要应用，在不同的学科中也有引申出的更为具体的定义，是各领域十分重要的参量。 1850年，德国物理学家鲁道夫克劳修斯首次提出熵的概念，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵就越大。一个体系的能量完全均匀分布时，这个系统的熵就达到最大值。 在克劳修斯看来，在一个系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是倾向于消除的。让一个热物体同一个冷物体相接触，热就会以下面所说的方式流动：热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。克劳修斯在
2、研究卡诺热机时，根据卡诺定理得出了对任意可逆循环过程都适用的一个公式 ：dS=dQ/T。,熵的定义,1：物理学上指热能除以温度所得的商，标志热量转化为功的程度。 2: 科学技术上用来描述、表征系统不确定程度的函数。亦被社会科学用以借喻人类社会某些状态的程度。 3：传播学中表示一种情境的不确定性和无组织性。,熵的应用,熵在物理学中的应用 克劳修斯和玻尔兹曼分别给熵下了定义。因此分别称为克劳修斯熵和玻尔兹曼熵。 熵到底是怎样的一个物理量，如何理解？ 在克劳修斯的定义中熵表达为 :可逆过程中系统与周围环境交换的热量与温度的比即热温比。 在玻尔兹曼的定义中熵表达为 ：微观状态数的自然对数值与玻尔兹曼常
3、数的乘积即S= KlogW 其中 K为玻尔兹曼常数W表示一切系统的态。,两者实际上是一致的，克劳修斯熵是宏观概念，着重表达熵的物理意义为能量的转变；玻尔兹曼熵是微观概念，着重表达熵的物理意义为一个体系的紊乱程度。在热力学中熵的讨论要严格区分在何种体系中。例如一个绝热体系的变化，只有向熵增加的方向变化的可能这就是熵的增加原理，深究其数学表达会得出熵的增加是由于概率统计法则的原因。任何一个系统存在着各种态的可能，每种态的数学概率是不同的，有大有小，因此整个系统的最终变化趋势是走向概率最大的那个态。 在热力学中一个初始非热平衡的态的发展趋势是热平衡态在这个过程中熵增加了符合熵的增加原理。现在用概率来
4、说明熵的数学含义，它是表示物质系统状态的一种量度或说明其可能出现的程度这个物质系统状态可以是一切的自然现象。熵的数值表示 一个系统的无序和有序程度。 熵系统越是无序、越混乱不堪系统的熵值就越大。不可逆过程从微观本质上讲就是系统从有序趋于无序从概率较小的状态趋于概率较大的状态。,熵在社会学中的理解 熵在自然科学中的应用很广泛 意义很大。 同时也可以将熵引入到社会科学中。 社会熵可以定义为 社会 负面消极的一个混乱程度。 对于组成社会的基本单元的个体来说 ,人 的利益与社会利益是相互依赖 相互依存的。 因此 如果处理人际之间 个 体和工作之间 整体与社会之间的问题 是社会前进的动力、 发展更为 积
5、极 是一个严肃的社会课题。 一个长期稳定的系统 在没有外界干扰 的情况下 会逐渐变得不稳定 而这种不稳定往往是不受约束的 不可 逆的 是具有极大破坏性的。 因此 为了保证系统的熵低 要人为的参与 进来 利用积极地、 合理地 、 有序的事件将可能发生的破坏性后果逐步 消化掉 避免不可控制的失控结果出现。,熵在生物上的理解 生命体也是相同的原理，生命体的有序性和低熵，是不断从外界吸取负熵，排除无序性即排除高熵来实现的.在生命发育和生长过程中，就是信息扩大的过程，熵是减少的，或者说是负熵增加的过程. 与之相反的过程是生命不断耗散和有序性，组织性不断被破坏的过程，是信息不断消失的过程，它趋向于与自然界
6、平衡，趋向于“热寂”和消亡.生命体就是这么一个斗争的过程，不断的发育和生长，自我复制，从外界吸取负熵，如食物，能量，水，氧等，同时排除高熵物质，无序性的物质如粪便，汗水，二氧化碳等.两个相反的过程不断的斗争，就是不断吸取负熵，然后又不断的被消耗的过程，生命在两者的斗争过程中得以延续.,信息熵 信息熵是信息的扩散和消失，信息的熵越小，则所含的有序程度越高，如果信息的熵大，说明其有序性低，获取了信息则意味着有序程度增加，即是负熵，任何使得随机事件产生组织性，法则性，有序性的过程，其熵就是负值，相反的过程则是无序度增大，熵就增加，为正值.查尔斯认为信息的销毁是不可逆的过程，而产生信息则是从外界引入负
7、熵的过程，把它应用到知识引用的领域，信息的熵小意味着它具有较高的有序性，组织性、法则性，传播范围更广，引用次数更多. 热力学中的玻尔兹曼熵定义为可能状态数的对数值，它是反映大量分子无序状态程度的一个物理量. 热力学中，任何一个孤立的物理系统其熵只能增加，而不能减少.然而这里的信息熵则相反，它只能减少而不能增加，信息熵为负值.而且，热力学熵和负熵是互补的，信息的获得要通过增加热力学熵来补偿.,熵与空调节能的关系,由于一切实际过程都是不可逆的，因此由于过程不可逆所引起的熵产变化永远是大于零的；而熵流的变化则根据开放系统与外界的能量和质量交换情况可正、可负，也可为零。开放系统的熵变等于熵产于熵流之和
8、，总的变化趋势有三种情况：如果两者共同作用使系统熵变等于零，系统处于稳定状态；如果使系统熵变大于零，系统发生震荡与崩溃；如果系统的熵变小于零，系统从一种稳定结构向另一种稳定结构进化。 热力学的基本理论是普遍适用的。小到一个能量传递与转换设备，大到整个地球都可以看作上述的开口系统进行分析。,熵与空调节能的关系,例如对于空调系统的供热工况的分析，我们通常都习惯说是靠消耗能量来维持一定室内温度，其实在稳定工况下，房间得到的热量等于传出的热量，房间是不消耗能量的，房间维持一定室内温度是依赖于消耗较高温度的低熵能量，排除低温度的高熵能量，即依靠引入负熵流与熵产抵消，维持室内系统熵不变的稳定状态。空调系统
9、节能本质上是尽量减少不可逆造成的熵产，减少负的熵流的消耗。,熵与空调节能的关系,人类居住的地球实际上是一个依赖吸收来自太阳“负熵流”生存的开放系统。人类对能源的无节制使用必然造成地球生态系统熵值增加，引起能源枯竭、地力衰退、温室效应、水土流失和荒漠化，生态系统对太阳能（负熵）的吸收能力减弱，人类活动的综合效应是使正熵增加和负熵减少。要减缓地球上的熵增过程，就要使其与来自太阳的“负熵流”相平衡，人们就要改变用能方式和生活方式，从浪费型向节约型转变，从掠夺性的开采利用能量，贪婪地追求物质享受到追求低熵生活的内容与要求。,熵与空调节能的关系,空调系统最大的不合理性是什么？ 按照热力学第二定律熵分析的
10、观点，空调系统最大的不合理性就是常规空调系统靠消耗燃料化学能或电能等高品质能量来维持室内温度、湿度环境，高级能干低级活，系统的不可逆性大，熵产大。,熵与空调节能的关系,同样属于消耗高品质能量，为什么热泵供暖就变的较为合理了呢？ 原因在于热泵供暖以消耗少量高级能量为代价获得了更多的冷量和热量，使得输出熵增大，负熵流减小，与之平衡的熵产也减小，所以较消耗燃料化学能或电能将其直接转变成热能加以利用要合理，是将来应提倡和发展的能源利用方式。具有热回收的热泵机组能够做到冷热兼用，使消耗的负熵流进一步减小，就更为合理了。,熵与空调节能的关系,空调系统转换和输配环节的节能原则和措施 空调系统较之制冷机组的本
11、质差别，实际上就是通过增加转换环节和输配管网扩展了其蒸发器和冷凝器的作用范围。但是随着输配管网的增大和转换环节的增加，增加了输配能耗和传热温差，使得空调系统的不可逆性增加，系统熵产增加。特别是输配能耗所消耗的是高级能量，由于克服摩擦最终转换为低级能量-热能，这是一部份很大的损失。据统计输配能耗已占空调系统能耗的30%，此时再去千方百计的提高制冷机的性能系数，意义已经不大,熵与空调节能的关系,以往人们对于传热温差和输配能耗的影响并不重视，因为这两种损失并不是能量的数量损失，而是能量的质量损失，在传统的热力学第一定律能量分析法中是体现不出的，而热力学第二定律熵分析方法却将其看作真正的能量损失。,熵
12、与空调节能的关系,按照热力学的节能理念，空调系统节能就是要减少转换环节，减少传热温差，因为温差越大、系统的不可逆性越大、熵产越大。目前常规空调系统的室内温度为27，而制冷机蒸发温度为0左右，有27的温差，而溶液吸收式制冷、毛细管辐射供冷和独立新风系统恰恰是降低了传热温差，因此是一种符合热力学节能原则的节能措施。,熵与空调节能的关系,对于热电联供或热电冷联供技术，虽然符合能量梯级利用原则，但在输送过程中消耗了大量能量，加上随着供热、供冷规模的扩大带来的调控困难、沿途损失，其优势会降低。因此在确定供热、供冷方式时一定要具体分析，不能简单认为集中的规模越大，就一定节能。随着社会发展人们的个性化要求会
13、越来越高，因此除非大型公共建筑，对于居住建筑和办公建筑，就地处理、分散的空气源热泵系统的应用可能会越来越多。,熵与空调节能的关系,节能措施也是要花费代价的，合适的地方要采用合适的能量，适合分散使用的能量，就没有必要集中起来大规模使用，对于空调系统的任何一项节能措施都有其适用条件和范围，应用过程中一定要进行客观、公正的评价与分析。,熵与空调节能的关系,（1）随着节能和环保意识的不断增强,节能理论和观点也在不断进步和深化,应该改变以往只看数量,不看质量的简单节能理念.利用热力学第二定律“熵”的观点指导空调系统节能。,熵与空调节能的关系,（2）按照不平衡热力学的观点，空调系统可以看作一个稳定的开口系统，依赖吸入负熵流与系统熵产平衡，维持系统熵不变。按照熵理论，空调系统节能就是减少消耗的负熵流和熵产。,熵与空调节能的关系,（3）按照“熵”的观点分析，传统的空调方式存在着很大的不合理性，因此空调系统的理论和技术必然要面对一场深刻的变革，这场变革将会影响空调技术的推广与普及。,谢谢！,熵及其节能应用,
