热声效应

效应简介

热致声效应相对而言比较易于观察到，人们对于此类热声现象的发现可以追溯至200多年前。

1777年， Byron Higgins把氢气火焰放入两端开口的垂直管的合适位置时，如图1.1中（a） 所示，管中能够激发出声音，这即为“歌焰”现象。类似的现象在其他地方也可以观察到，其被称之为“Higgins管”作用，例如高烟囱或者炉膛中的火焰有时候会引起强烈的噪音或振动，另如二战中德国所用的Ⅵ导弹，也是因为“Higgins管”作用使其在飞行中发出强烈的噪音，此外脉动燃烧技术也发源于此。

一百多年前，吹玻璃工人发现了类似的现象，当一个热玻璃球连接到一根中空玻璃管上时，也会激发出强烈的声波[2]。 1850年， Sondhauss对这种一端封闭、一端开口的热声振荡管进行了研究，以后的学者为纪念他的贡献而将其命名为“Sondhauss管” ,如图1.1中（b）所示。

1859年， Rijke将加热丝网放到一根两端开口的垂直空管的下部，观察到了强烈的声振荡，并对这种现象进行了定性的分析，这种结构后来被称“Rijke管” ，如图1.1中（c）所示。此后， Bosscha采用冷的丝网代替热的丝网也达到了Rijke振荡，但冷丝网与热丝网的位置恰好相反。由于“Rijke管” 在脉动燃烧中的应用以及与火箭压缩机安全性等密切相关，时至今日仍在进行大量研究，并被广泛用于热声效应的教学实验中。

1949年， Taconis等人观察到将一端封闭的管子的开口端伸入到液氦中搅动时会发出声音， Taconis对此做出了定性解释，这就是低温领域中著名的“Taconis振荡” 。这种振荡经常发生在液氦与室温环境之间的管道中，导致低温液体的快速蒸发，正确理解这种现象的产生机理对于防止低温系统中的振荡具有重要意义。

与热致声或者冷致声效应相比，声致冷效应的发现则晚了许多：从现代热声学的角度出发，首次声致冷效应归于 1963 年由 Gifford 和 Longsworth 等提出并研制的基本型脉冲管制冷机，但由于这种基本型脉冲管制冷机工作频率低至数赫兹，其声学特性并不显著。在 1975 年由 P. Merkli 和 H. Thomann 等人在往复运动活塞激励的一端封闭的驻波谐振管中发现了中间区域温度下降，而两端温度升高的现象，这应该是历史上首次明显的声致冷现象。

在等温度过程中，体系吸的热因过程不同，有反应热（如生成热、燃烧热、分解热与中和热）、相变热（如蒸发热、升华热、熔化热）、溶解热（积分溶解热、微分溶解热）、稀释热等。根据等容、等压等过程，热效应可分为等容热效应与等压热效应。等容过程的热效应，称等容热效应；等压过程的称等压热效应。化学反应、相变过程等一般是在等压条件下进行的，故手册中列出的有关数据，一般是等压热效应。由于这些过程一般不伴随其他功（只有体积功），等压热效应就等于体系焓的增量，用符号△H表示。若为负值，表明过程放热。这类数据广泛应用于科学研究、工业设计与生产等领域。

电流热效应：简单的说，电流通过导体时电能转化成热，这个现象叫做电流的热效应。

生成热

由稳定单质化合生成1mol化合物的恒压反应热效应，称为该化合物的生成热，又称生成焓。规定所有温度下最稳定的单质的焓值为零，所以由稳定单质生成化合物的反应焓变即为该化合物的相对焓值-生成热。为了进行统一的计算和比较，往往用标准生成热，即在指定温度时，101325Pa下，由稳定单质生成1mol化合物时的反应热，就是该温度时化合物的标准生成热。

燃烧热

1mol物质在指定条件下完全燃烧时的热效应称为该物质的燃烧热。所谓完全燃烧是指产物处于稳定的聚集状态，如C变为CO₂（g），H变为H₂O（l），S变为SO₂（g），N变为N₂（g），Cl变为HCl水溶液等。物质的燃烧热可以由热力学手册查得，大多数手册所列为25摄氏度、101325Pa下物质的燃烧热，称为该物质的标准燃烧热。

目前，人们对燃烧热的利用已非常广泛，最常见的为利用生活垃圾的燃烧热来发电。随着人类对已知能源的不断开采利用，全球将面临能源危机，但是发现的新资源海底可燃冰将为人类解决这一难题 。

离子的生成热

对于有离子参加的反应，如果能够知道离子的生成热，则离子反应热也可按照（3-22）、（3-23）求出。所谓离子生成热是指在101325Pa和指定温度下，由最稳定的单质生成1mol溶于无限大量水溶液中的相应离子所产生的热效应。但是，在一个反应里正负离子总是同时存在，无法直接计算一种离子的生成热，为此，必须建立一个相对标准，习惯上规定H （∞，aq）的标准摩尔生成热为零。即：

1/2H₂（g）=H （∞，aq） e（H （∞，aq））=0

将其他离子与其比较，从而得到各离子的标准生成热。

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

则以上两方程相加，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这就是OH-离子的标准摩尔生成热。

溶解热

物质溶解过程通常也伴随着热效应，如硫酸、苛性钠等物质溶解于水中，产生放热现象；而硝酸铵溶于水中则发生吸热现象。这是由于形成溶液时，粒子间相互作用力与纯物质不同，发生能量变化，并以热的形式与环境交换之故。物质溶解过程所放出或吸收热量的多少，与温度、压力等条件有关，如果不加注明，常常指25oC及101325Pa的条件。

1mol溶质溶解于一定量溶剂中，形成某一浓度的溶液时所产生的热效应称为该浓度溶液的积分溶解热。由于溶解过程中溶液浓度不断变化，因而积分溶解热称为变浓溶解热。符号ΔHint。而1mol溶质溶解于一定浓度的无限大量溶液中，所产生的热效应称为该溶质在此浓度下的微分溶解热，也叫定浓溶解热，符号ΔHdiff。溶解热单位J.mol-¹或kJ.mol^-1。

磁卡效应（magnetocaloriceffect）顺磁与铁磁性物质在外磁场的作用下，磁矩由杂乱变为有序，原子磁矩之间及与外磁场之间的相互作用能降低，它的磁熵减小，排出熵的过程也就是放热的过程。反之，在取消磁场的过程中，磁性物质的磁矩由有序而变为杂乱，从外界吸收能量，磁熵增加，在系统绝热的情况下则磁性物质本身降温。这种由外磁场变化而引起磁性物质放热或吸热的现象称为磁卡效应。

外斯(Weiss)和皮卡德(Piccard)于1918年首先观察到， 当磁化场突然增大到0.8～1.6MA/m时，铁磁体 (Ni或Fe)的温度将上升1～2℃。磁卡效应产生的 原因是：设想当铁磁体被加热时，各个原子的自旋将吸收一部分热量使它们平行排列的有序程度下降； 因此如果突然加一强磁场使各个自旋平行排列的有序程度增加，则必然放出热量，因为是绝热过程，故磁体的温度上升。由于磁卡效应是通过自旋排列的有序程度变化而产生的，可知此效应在居里点附近最为显著，这是因为在居里点附近加一定磁场可使磁化强度有较大的增加。相反，如果在一定温度下 突然去掉外加的磁化场，将使磁体的温度下降。因 此利用这一效应可以实现磁致冷。 2100433B

微波对生物体的热效应是指由微波引起的生物组织或系统受热而对生物体产生的生理影响。热效应主要是生物体内有极分子在微波高频电场的作用下反复快速取向转动而摩擦生热；体内离子在微波作用下振动也会将振动能量转化为热量；一般分子也会吸收微波能量后使热运动能量增加。如果生物体组织吸收的微波能量较少，它可借助自身的热调节系统通过血循环将吸收的微波能量(热量)散发至全身或体外。如果微波功率很强，生物组织吸收的微波能量多于生物体所能散发的能量，则引起该部位体温升高。局部组织温度升高将产生一系列生理反应，如使局部血管扩张，并通过热调节系统使血循环加速，组织代谢增强，白细胞吞噬作用增强，促进病理产物的吸收和消散等。