熱聲效應(yīng)

效應(yīng)簡介

熱致聲效應(yīng)相對(duì)而言比較易于觀察到，人們對(duì)于此類熱聲現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)可以追溯至200多年前。

1777年， Byron Higgins把氫氣火焰放入兩端開口的垂直管的合適位置時(shí)，如圖1.1中（a） 所示，管中能夠激發(fā)出聲音，這即為“歌焰”現(xiàn)象。類似的現(xiàn)象在其他地方也可以觀察到，其被稱之為“Higgins管”作用，例如高煙囪或者爐膛中的火焰有時(shí)候會(huì)引起強(qiáng)烈的噪音或振動(dòng)，另如二戰(zhàn)中德國所用的Ⅵ導(dǎo)彈，也是因?yàn)椤癏iggins管”作用使其在飛行中發(fā)出強(qiáng)烈的噪音，此外脈動(dòng)燃燒技術(shù)也發(fā)源于此。

一百多年前，吹玻璃工人發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，當(dāng)一個(gè)熱玻璃球連接到一根中空玻璃管上時(shí)，也會(huì)激發(fā)出強(qiáng)烈的聲波[2]。 1850年， Sondhauss對(duì)這種一端封閉、一端開口的熱聲振蕩管進(jìn)行了研究，以后的學(xué)者為紀(jì)念他的貢獻(xiàn)而將其命名為“Sondhauss管” ,如圖1.1中（b）所示。

1859年， Rijke將加熱絲網(wǎng)放到一根兩端開口的垂直空管的下部，觀察到了強(qiáng)烈的聲振蕩，并對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了定性的分析，這種結(jié)構(gòu)后來被稱“Rijke管” ，如圖1.1中（c）所示。此后， Bosscha采用冷的絲網(wǎng)代替熱的絲網(wǎng)也達(dá)到了Rijke振蕩，但冷絲網(wǎng)與熱絲網(wǎng)的位置恰好相反。由于“Rijke管” 在脈動(dòng)燃燒中的應(yīng)用以及與火箭壓縮機(jī)安全性等密切相關(guān)，時(shí)至今日仍在進(jìn)行大量研究，并被廣泛用于熱聲效應(yīng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。

1949年， Taconis等人觀察到將一端封閉的管子的開口端伸入到液氦中攪動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出聲音， Taconis對(duì)此做出了定性解釋，這就是低溫領(lǐng)域中著名的“Taconis振蕩” 。這種振蕩經(jīng)常發(fā)生在液氦與室溫環(huán)境之間的管道中，導(dǎo)致低溫液體的快速蒸發(fā)，正確理解這種現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理對(duì)于防止低溫系統(tǒng)中的振蕩具有重要意義。

與熱致聲或者冷致聲效應(yīng)相比，聲致冷效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)則晚了許多：從現(xiàn)代熱聲學(xué)的角度出發(fā)，首次聲致冷效應(yīng)歸于 1963 年由 Gifford 和 Longsworth 等提出并研制的基本型脈沖管制冷機(jī)，但由于這種基本型脈沖管制冷機(jī)工作頻率低至數(shù)赫茲，其聲學(xué)特性并不顯著。在 1975 年由 P. Merkli 和 H. Thomann 等人在往復(fù)運(yùn)動(dòng)活塞激勵(lì)的一端封閉的駐波諧振管中發(fā)現(xiàn)了中間區(qū)域溫度下降，而兩端溫度升高的現(xiàn)象，這應(yīng)該是歷史上首次明顯的聲致冷現(xiàn)象。

在等溫度過程中，體系吸的熱因過程不同，有反應(yīng)熱（如生成熱、燃燒熱、分解熱與中和熱）、相變熱（如蒸發(fā)熱、升華熱、熔化熱）、溶解熱（積分溶解熱、微分溶解熱）、稀釋熱等。根據(jù)等容、等壓等過程，熱效應(yīng)可分為等容熱效應(yīng)與等壓熱效應(yīng)。等容過程的熱效應(yīng)，稱等容熱效應(yīng)；等壓過程的稱等壓熱效應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)、相變過程等一般是在等壓條件下進(jìn)行的，故手冊(cè)中列出的有關(guān)數(shù)據(jù)，一般是等壓熱效應(yīng)。由于這些過程一般不伴隨其他功（只有體積功），等壓熱效應(yīng)就等于體系焓的增量，用符號(hào)△H表示。若為負(fù)值，表明過程放熱。這類數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工業(yè)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)等領(lǐng)域。

電流熱效應(yīng)：簡單的說，電流通過導(dǎo)體時(shí)電能轉(zhuǎn)化成熱，這個(gè)現(xiàn)象叫做電流的熱效應(yīng)。

生成熱

由穩(wěn)定單質(zhì)化合生成1mol化合物的恒壓反應(yīng)熱效應(yīng)，稱為該化合物的生成熱，又稱生成焓。規(guī)定所有溫度下最穩(wěn)定的單質(zhì)的焓值為零，所以由穩(wěn)定單質(zhì)生成化合物的反應(yīng)焓變即為該化合物的相對(duì)焓值-生成熱。為了進(jìn)行統(tǒng)一的計(jì)算和比較，往往用標(biāo)準(zhǔn)生成熱，即在指定溫度時(shí)，101325Pa下，由穩(wěn)定單質(zhì)生成1mol化合物時(shí)的反應(yīng)熱，就是該溫度時(shí)化合物的標(biāo)準(zhǔn)生成熱。

燃燒熱

1mol物質(zhì)在指定條件下完全燃燒時(shí)的熱效應(yīng)稱為該物質(zhì)的燃燒熱。所謂完全燃燒是指產(chǎn)物處于穩(wěn)定的聚集狀態(tài)，如C變?yōu)镃O₂（g），H變?yōu)镠₂O（l），S變?yōu)镾O₂（g），N變?yōu)镹₂（g），Cl變?yōu)镠Cl水溶液等。物質(zhì)的燃燒熱可以由熱力學(xué)手冊(cè)查得，大多數(shù)手冊(cè)所列為25攝氏度、101325Pa下物質(zhì)的燃燒熱，稱為該物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱。

目前，人們對(duì)燃燒熱的利用已非常廣泛，最常見的為利用生活垃圾的燃燒熱來發(fā)電。隨著人類對(duì)已知能源的不斷開采利用，全球?qū)⒚媾R能源危機(jī)，但是發(fā)現(xiàn)的新資源海底可燃冰將為人類解決這一難題 。

離子的生成熱

對(duì)于有離子參加的反應(yīng)，如果能夠知道離子的生成熱，則離子反應(yīng)熱也可按照（3-22）、（3-23）求出。所謂離子生成熱是指在101325Pa和指定溫度下，由最穩(wěn)定的單質(zhì)生成1mol溶于無限大量水溶液中的相應(yīng)離子所產(chǎn)生的熱效應(yīng)。但是，在一個(gè)反應(yīng)里正負(fù)離子總是同時(shí)存在，無法直接計(jì)算一種離子的生成熱，為此，必須建立一個(gè)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，習(xí)慣上規(guī)定H （∞，aq）的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成熱為零。即：

1/2H₂（g）=H （∞，aq） e（H （∞，aq））=0

將其他離子與其比較，從而得到各離子的標(biāo)準(zhǔn)生成熱。

例如已知H₂（g） 1/2O₂（g）=H₂O（l）=-285.83kJ.mol^-1

H₂O（l）=H （∞，aq） OH^-（∞，aq）=55.84kJ.mol-1

則以上兩方程相加，得H₂（g） 1/2O₂（g）=H （∞，aq） OH^-（∞，aq）

=-285.83kJ.mol^-1 55.84kJ.mol^-1=-229.99kJ.mol^-1

由于（H （∞，aq））=0

所以1/2H₂（g） 1/2O₂（g）=OH^-（∞，aq）

=-229.99kJ.mol^-1這就是OH-離子的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成熱。

溶解熱

物質(zhì)溶解過程通常也伴隨著熱效應(yīng)，如硫酸、苛性鈉等物質(zhì)溶解于水中，產(chǎn)生放熱現(xiàn)象；而硝酸銨溶于水中則發(fā)生吸熱現(xiàn)象。這是由于形成溶液時(shí)，粒子間相互作用力與純物質(zhì)不同，發(fā)生能量變化，并以熱的形式與環(huán)境交換之故。物質(zhì)溶解過程所放出或吸收熱量的多少，與溫度、壓力等條件有關(guān)，如果不加注明，常常指25oC及101325Pa的條件。

1mol溶質(zhì)溶解于一定量溶劑中，形成某一濃度的溶液時(shí)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)稱為該濃度溶液的積分溶解熱。由于溶解過程中溶液濃度不斷變化，因而積分溶解熱稱為變濃溶解熱。符號(hào)ΔHint。而1mol溶質(zhì)溶解于一定濃度的無限大量溶液中，所產(chǎn)生的熱效應(yīng)稱為該溶質(zhì)在此濃度下的微分溶解熱，也叫定濃溶解熱，符號(hào)ΔHdiff。溶解熱單位J.mol-¹或kJ.mol^-1。

磁卡效應(yīng)（magnetocaloriceffect）順磁與鐵磁性物質(zhì)在外磁場的作用下，磁矩由雜亂變?yōu)橛行?，原子磁矩之間及與外磁場之間的相互作用能降低，它的磁熵減小，排出熵的過程也就是放熱的過程。反之，在取消磁場的過程中，磁性物質(zhì)的磁矩由有序而變?yōu)殡s亂，從外界吸收能量，磁熵增加，在系統(tǒng)絕熱的情況下則磁性物質(zhì)本身降溫。這種由外磁場變化而引起磁性物質(zhì)放熱或吸熱的現(xiàn)象稱為磁卡效應(yīng)。

外斯(Weiss)和皮卡德(Piccard)于1918年首先觀察到， 當(dāng)磁化場突然增大到0.8～1.6MA/m時(shí)，鐵磁體 (Ni或Fe)的溫度將上升1～2℃。磁卡效應(yīng)產(chǎn)生的 原因是：設(shè)想當(dāng)鐵磁體被加熱時(shí)，各個(gè)原子的自旋將吸收一部分熱量使它們平行排列的有序程度下降； 因此如果突然加一強(qiáng)磁場使各個(gè)自旋平行排列的有序程度增加，則必然放出熱量，因?yàn)槭墙^熱過程，故磁體的溫度上升。由于磁卡效應(yīng)是通過自旋排列的有序程度變化而產(chǎn)生的，可知此效應(yīng)在居里點(diǎn)附近最為顯著，這是因?yàn)樵诰永稂c(diǎn)附近加一定磁場可使磁化強(qiáng)度有較大的增加。相反，如果在一定溫度下 突然去掉外加的磁化場，將使磁體的溫度下降。因 此利用這一效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)磁致冷。 2100433B

微波對(duì)生物體的熱效應(yīng)是指由微波引起的生物組織或系統(tǒng)受熱而對(duì)生物體產(chǎn)生的生理影響。熱效應(yīng)主要是生物體內(nèi)有極分子在微波高頻電場的作用下反復(fù)快速取向轉(zhuǎn)動(dòng)而摩擦生熱；體內(nèi)離子在微波作用下振動(dòng)也會(huì)將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱量；一般分子也會(huì)吸收微波能量后使熱運(yùn)動(dòng)能量增加。如果生物體組織吸收的微波能量較少，它可借助自身的熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過血循環(huán)將吸收的微波能量(熱量)散發(fā)至全身或體外。如果微波功率很強(qiáng)，生物組織吸收的微波能量多于生物體所能散發(fā)的能量，則引起該部位體溫升高。局部組織溫度升高將產(chǎn)生一系列生理反應(yīng)，如使局部血管擴(kuò)張，并通過熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)使血循環(huán)加速，組織代謝增強(qiáng)，白細(xì)胞吞噬作用增強(qiáng)，促進(jìn)病理產(chǎn)物的吸收和消散等。