[科普中国]-热力学工程

简介

热力学工程又名工程热力学，热力学是研究热现象中，物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时，系统与外界相互作用的学科。 工程热力学是热力学最先发展的一个分支，它主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是机械工程的重要基础学科之一。

内容工程热力学是关于热现象的宏观理论，研究的方法是宏观的，它以归纳无数事实所得到的热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律作为推理的基础，通过物质的压力 、温度、比容等宏观参数和受热、冷却、膨胀、收缩等整体行为，对宏观现象和热力过程进行研究。

这种方法，把与物质内部结构有关的具体性质，当作宏观真实存在的物性数据予以肯定，不需要对物质的微观结构作任何假设，所以分析推理的结果具有高度的可靠性，而且条理清楚。这是它的独特优点。

发展古代人类早就学会了取火和用火，不过后来才注意探究热、冷现象的实质。但直到17世纪末，人们还不能正确区分温度和热量这两个基本概念的本质。在当时流行的“热质说”统治下，人们误认为物体的温度高是由于储存的“热质”数量多。1709～1714年华氏温标和1742～1745年摄氏温标的建立，才使测温有了公认的标准。随后又发展了量热技术，为科学地观测热现象提供了测试手段，使热学走上了近代实验科学的道路。

1798年，朗福德观察到用钻头钻炮筒时，消耗机械功的结果使钻头和筒身都升温。1799年，英国人戴维用两块冰相互摩擦致使表面融化，这显然无法由“热质说”得到解释。1842年，迈尔提出了能量守恒理论，认定热是能的一种形式，可与机械能互相转化，并且从空气的定压比热容与定容比热容之差计算出热功当量。

英国物理学家焦耳于1840年建立电热当量的概念，1842年以后用不同方式实测了热功当量。1850年，焦耳的实验结果已使科学界彻底抛弃了“热质说”。公认能量守恒、能的形式可以互换的热力学第一定律为客观的自然规律。能量单位焦耳就是以他的名字命名的。

热力学的形成与当时的生产实践迫切要求寻找合理的大型、高效热机有关。1824年，法国人卡诺提出著名的卡诺定理，指明工作在给定温度范围的热机所能达到的效率极限，这实质上已经建立起热力学第二定律。但受“热质说”的影响，他的证明方法还有错误。1848年，英国工程师开尔文根据卡诺定理制定了热力学温标。1850年和1851年，德国的克劳修斯和开尔文先后提出了热力学第二定律，并在此基础上重新证明了卡诺定理。

1850～1854年，克劳修斯根据卡诺定理提出并发展了熵的概念。热力学第一定律和第二定律的确认，对于两类“永动机”的不可能实现作出了科学的最后结论，正式形成了热现象的宏观理论热力学。同时也形成了“工程热力学”这门技术科学，它成为研究热机工作原理的理论基础，使内燃机、汽轮机、燃气轮机和喷气推进机等相继取得迅速进展。

与此同时，在应用热力学理论研究物质性质的过程中，还发展了热力学的数学理论，找到了反映物质各种性质的相应的热力学函数，研究了物质在相变、化学反应和溶液特性方面所遵循的各种规律 。1906年，德国的能斯脱在观察低温现象和化学反应中发现热定理；1912年，这个定理被修改成热力学第三定律的表述形式。

二十世纪初以来，对超高压、超高温水蒸汽等物性，和极低温度的研究不断获得新成果。随着对能源问题的重视，人们对与节能有关的复合循环、新型的复合工质的研究发生了很大兴趣。

研究方向一百多年来，工程热力学已渗透到各种学科和技术领域并形成许多新的分支学科，但其主要研究对象仍然是热能转换为机械能的规律和方法以及使热机更有效地将热能转化为功的途径，所涉及的主要领域仍为能源与动力，因而用以实现热能与机械能转换的封闭过程的热力循环一直是工程热力学研究的重点，特别是新的热力循环与相应的新工质研究成为永恒的研究方向1。

热力循环在热力学和动力机械发展史上占有重要位置，它是热机发展的理论基础和能源动力系统的核心，也是热力学学科开拓发展的一个重点与推动力。历史表明，每一次新的热力循环及其动力机械发展应用都带动了能源利用的飞跃，因而大大推动了社会进步和生产力的发展，11世纪的走马灯为热机最早的雏形，而1978年著名的炮膛试验则是一个热功转换的定量研究的范例，18世纪蒸汽机的出现，使人类找到了将化石能源转化为功来代替人的体力难以胜任的劳动的方法，开始了现代生产活动的新纪元，促进了第一次产业革命与资本主义的发展，也推动了工程热力学研究的全面展开。仅仅石油的发现并没有迎来石油时代，而是以石油为燃料的往复式内燃机循环的发明和应用才使人类进入石油时代。

工程热力学是在生产实践的基础上发展起来的，而其理论研究的成就又反过来推动能源动力领域的科技创新，一些基本定律奠定了工程热力学的基础，它在工程中起着重要的指导作用*随着人类对自然界探索的不断深化，工程热力学研究在时空上的不断扩展并与其它学科交叉F渗透而形成了许多新学科分支。值得注意的是#热力循环始终是工程热力学研究的重点#热功转换规律和方法以及提高热机效率途径的研究一直是工程热力学的主要对象，故热力循环研究一直是热力学开拓发展的推动力与重要前沿。