注册环保工程师

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热机定律

(1)定义或解释

转变为有用功的热量跟燃料燃烧时放出的热量的比叫做热机的效率，也叫热机的有效效率。通常用百分数来表示。

(2)说明

①凡是能够利用燃料燃烧时放出的能来做机械功的机器就叫做热机。

②热机在工作过程中，发热器(高温热源)里的燃料燃烧时放出的热量并没有全部被工作物质(工质)所吸收，而工质从发热器所得到的那部分热量也只有一部分转变为机械功，其余部分随工质排出，传给冷凝器(低温热源)。工质所作的机械功中还有一部分因克服机件摩擦而损失。根据热机的工作特点，下面对热机中热量的利用和损耗情况作一说明。

热力学第二定律

1.开尔文表述(从排除理想热机效率η=100%出发)：

不可能制成一种“循环动作”的热机，只从“单一热源”吸取热量，使之“完全”变为有用功，而“其他物体不发生任何变化”。在这一表述中，务必要注意“循环动作”、“单一热源”、“完全”、“其他物体不发生任何变化”等这些用语。

2.克劳修斯表述(从排除理想致冷机出发)

热量不可能“自动地”从低温物体传向高温物体。在这一表述中，务必注意“自动地”这一修饰词。可以证明开尔文表述和克劳修斯表述是等价的。热力学第二定律本质上是一条统计规律，它指出：一般说来，一个不受外界影响的封闭系统，其内部发生的过程，总是由几率小的状态向几率大的状态进行;由包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行。

由于热力学第二定律从本质上讲是一条统计规律，因此，对少量分子组成的系统是不适用的。另外热力学第二定律是确立在有限的时空观点上的，不能无限外推。

声音的产生

在平流层下部，气温不随高度而变，音速也不变，为295.2米/秒。空气流动的规律和飞机的空气动力特性，在飞行速度小于音速和大于音速的情况下，具有质的差别，因此，研究航空器在大气中的运动，音速是一个非常重要的基准值。

音速不是一个固定的值。在干燥空气中，音速的经验公式是：

音速u=331.3+(0.606c)m/s(c=摄氏气温)

常温下(15℃)，音速为u=331.3+(0.606x15)=340.4m/s，这就是为什么都说音速是340m/s(1225km/h)的缘故。潮湿空气的音速略有增加，但是幅度不到0.5%，大多数场合可以忽略不计。对于华氏气温，可以用公式换算：F=9C/5+32(C=摄氏气温)。

国际标准大气ISA规定：在对流层中(0~11000m)，海平面的气温为15℃，气压101325Pa，空气密度1.226kg/m3;海拔每升高1000m，气温下降6.5℃。

利用上面的公式计算不同海拔的气温，再综合前面的音速经验公式，就可以推算不同海拔的音速了。

在11000~20000m的高空(属平流层，气温基本没有变化，所以又叫“同温层”)，温度下降到零下57℃(15-11x6.5=-56.5℃)，这里的音速是u=331.3+[0.606x(-57)]=296.7m/s(约1068km/h)。喷气式飞机都喜欢在1万米左右的高空巡航，因为这里是平流层的底部，可以避开对流层因对流活动而产生的气流。在11000~20000m的同温层内，音速的标准值是1062km/h，而且基本稳定。

喷气式飞机都用马赫数Ma来表示速度，而不用对地速度。这是因为物体在空气中飞行时，前端会压缩空气形成波动，这个波动是以音速传播的(因为声波也是波动的一种)。如果物体的飞行速度超过音速，那么这些波动无法从前端传播，而在物体前端堆积，压力增大，最终形成激波。激波是超音速飞行的主要阻力源。

物体飞行速度一旦超过音速，必然产生激波。激波会极大地增加飞行阻力，影响到整个飞行状态以及燃料的消耗。在不同的空气环境中，尽管飞行器的Ma数相同，但他们的对地速度是不相等的;不过，他们受到的阻力却大致相当。所以，飞行器都是用当地的音速，来衡量当前速度的

音速

音速也叫声速，指声波在媒质(介质)中传播的速度。其大小因媒质的性质和状态而异。声速顾名思义即是声音的速度，唯声音系以波的形式传播，与一般所理解物体的速度是不同的，所以与其将音速称为声音的速度，倒不如将音速视为波传递速度的指标，音速与传递介质的材质状况有绝对关系，而与发声者本身的速度无关，而发声者与听者间若有相对运动关系，就形成了都卜勒效应;也由此观点，穿/超音速时的诸多物理现象，其实与声音无关，而是压缩波密集累积所产生的物理现象。

影响音速的因素

目前所知，声波能够在所有物质(除真空外)中传播。其传播速度由传声介质的某些物理性质，主要是力学性质所决定。例如，音速与介质的密度和弹性性质有关，因此也随介质的温度、压强等状态参量而改变。气体中音速每秒约数百米，随温度升高而增大，0℃时空气中音速为331.4米/秒，15℃时为340米/秒，温度每升高1℃，音速约增加0.6米/秒。通常，固体介质中音速最大，液体介质中的音速较小，气体介质中的音速最小。另外，不均匀介质中的音速处处不等。各向异性介质中的音速随传播方向而异。

在有些情况下音速还与声波本身的振幅、频率、振动方式(纵波声速、横波声速等)有关。如果传播介质的尺寸不够大，则其边界对音速也有影响。因此为了使音速的量值确切地表征传声介质的声学特征，不受其几何形状的影响，一般须规定传声介质的尺寸足够大(理论上为无限大)情况下的声波传播速度。有时为了实用上的方便，也列出某些特殊情况下的音速，如固体细棒中的音速。

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