建筑科学是一个奇怪的问题。一些学院和大学教授。大部分的称自己为那些工作在建筑工程师,建筑师,和承包商,不是科学家。和许多人做调用这个词可以解释热力学第二定律的至少一个含义(我们会),但可能不知道其他的热力学定律是什么,为什么他们的编号是如此特殊,甚至有多少。你呢?

好,今天我们来解决这一不足。如果你要讲的热力学定律,这是你的责任,至少知道他人很好告诉一个好奇的人,世界上哪有轴承的科学。但我们进入主题之前,让我们有点热力学观点从物理学家阿诺德·索姆费尔德:

热力学是一个有趣的话题。你第一次经历,你不明白。第二次你穿过它,你认为你理解它,除了一两个点。第三次你穿过它,你知道你不理解它,但那时你太习惯了,不打扰你了。

,在一开始,让我们开始。热力学第一定律是热力学第一定律。(我告诉过你这是特殊的!)它是…

热力学第零定律

让我们先从一个显而易见的问题:为什么它不能称为热力学第一定律?发生,在第一次和第二次发现法律但被认为是更根本的问题。我们有一个第零定律。

现在,第零定律的表述:

如果两个系统热平衡的三分之一,他们在互相热平衡。

当然,这就提出了一个问题:热平衡的定义。让我们先从一杯温水。如果你把一个冰块,冰与水热平衡吗?不。它可以吸收水的热量。

但如果我们思考冰块坐在冰箱前我们拉出来。冰箱里的冰是冷空气包围。一旦冰在冰箱里足够长的时间完全冻结,然后达到相同的温度随着空气在冰箱里,没有发生传热之间的冰块和冰箱里的空气。现在我们有一个热平衡。

因此,两个系统的热平衡是在相同的温度下,热接触彼此,没有净热流从一个到另一个。第零定律的后果之一是,温度测量是一个大问题。

热力学第一定律

取决于你如何来构建科学的领域,您可能会遇到。如果你学习物理或工程,你肯定见过四个热力学定律。如果你到了一个不同的路线,这可能是一个新的给你。

在热力学第一定律是说热之间的关系,工作,和内部的能量。让我们放弃形式和技术细节,必须构建科学的基本原则:能量既不能创造也不能消灭。

是的。热力学第一定律是能量守恒定律的公式。它有许多应用程序在构建科学。

让我们从我们如何供暖。如果是燃气炉,燃料有一定量的化学能量。当气体燃烧器和点火,它改变了形式。化学反应产生的热量,增加废气的温度。这些废气通过换热器,提高温度的大块金属。然后,鼓风机吹空气热交换器,从金属中提取热量,然后通过管道发送它。

每一点的化学能量转化为热量最终某处。理想情况下,你想要尽可能多的热量最终在你的房子,但不是全部。一些上升烟道废气。更好的热交换器捕获更多的热量用于在众议院,但所有熔炉发送至少一些加热烟道。你失去热量另一种方式是当你的导管通过无条件的空间。不过,底线是,如果你烧100单位的化学能,你获得100单位热量。

这是另一种方式第一定律在建筑工作。考虑一个吊扇。在夏天,你打开来创建一个漂亮的微风吹在皮肤冷却的能量是你。会发生什么你实际上加热房间。在这种情况下,输入的能量是电。风扇电机将其转换为机械能,风机叶片移动。但它不做将电能转换为运动效率100%。风扇电机的电线有阻力,产生一些热量。因此,一些电力转化成热量。剩余的电能变成机械能,但即便如此,最终成为热量。所有您所使用的电力运行吊扇实际加热房间,这就是为什么它让他们没有好处吗当没有人感到微风。

在他的书中,建筑不会说谎亨利·吉福德建议读者如何使用热力学第一定律理解节能特性和嗅出陷阱。节约能源的产品,他说,你必须知道能源在使用该产品之前。绝缘材料,例如,减少损失的热量从一个建筑在冬季,与相应减少的热量必须添加到构建保持舒适。如果你不能确定明确的路径能量转换,吉福德说,“提出的节能措施应该被怀疑。”

例如,把阿米什壁炉。尽管他们销售能源大储户,没有什么对他们节省了能源在任何其他电阻加热器。他们都将电能转化为热量100%效率(如吊扇)。节约能源和空间加热器的唯一方式是如果你关掉热在其余的房子里。

热力学第二定律

一旦科学家想出了热力学第一定律,他们开始看到它将允许各种各样的奇怪的事情发生。让我们回到我们的一杯温水。它不会违反第一定律的底部一半的杯子里的水变冷,甚至冻结成一块冰。为了实现这一目标,顶部的一部分,杯子里的水变热,维持相同数量的热能的玻璃。

见过这样吗?不。可能没有违反第一定律,但我们知道自己的直接经验,类似这样的事情就不会发生。这就是热力学第二定律。这是一个更加复杂和有几个,相当于,配方。我们可以极客在热引擎,卡诺效率,熵,时间之箭,但对于构建科学的目的,第二定律的表述鲁道夫·克劳修斯是一个最重要的意义:热量不能通过从冷到暖身体没有其他变化,连接,发生在同一时间。

在冬天,热从我们的壁炉自然想搬到户外活动。室外空气的热量不会让它进入我们的房子“没有其他变化。“我们可以得到室外空气的热量与热泵加热我们的家,但这的设备还有其他东西,不违反热力学第二定律。但即使是这样,当你看看它是如何工作的,热量仍然流从温暖到冷却器对象。(更多细节,请参阅我的文章如何热泵从冷变热。)

热量从热到冷是热力学第二定律的含义我在第一段提到过。教在许多介绍建筑科学类,以及推断从热流的水分干(湿)和空气(高压低压)。

只是有一点点超越建筑科学,热力学第二定律意味着宇宙的最终命运是热死。给予足够的时间,所有的能量宇宙最终将分散均匀,一切都在相同的温度。假设宇宙是一个孤立的系统,当然可以。如果我们的宇宙只是一个物质的斑点在一些更大的宇宙,我们的命运可能取决于发生了什么,就像一只蚂蚁的命运可能取决于孩子点放大镜。

热力学第三定律

这个很简单:

绝对零度的温度是高不可攀。

本法第二定律的直接后果。一个公式表示,热引擎无法运营效率为100%,与一个方程定义最大效率卡诺效率:

e = 1 - T_C/ T_H

T_C和T_H冷和热储层的温度,分别。如果低温热源的温度绝对零度,效率是100%。但是第二定律,很明显这是不可能发生的。瞧!我们需要另一个热力学定律!

建筑科学与热力学

建筑科学关注于热流通过建筑围墙和热量供应或删除条件的空间。热力学定律打下基本规则,了解热,这意味着如果你想要更好地理解建筑科学,你需要知道一些热力学。当你深入进去,你知道你不理解,但使用它,然后你在你的教育进步严重!

Allison贝尔斯迪凯特,乔治亚州,是一个演讲者,作家,建设科学顾问,和作者能源先锋的博客。你可以在推特上跟随他@EnergyVanguard。