[科普中国]-热力

热力是一门学科，内容涉及到电力，锅炉，高炉，热机等等，凡是与热能相关的机械和热力系统均为热力专业研究的对象。热力专业在大多数高校中有个很好听的名字叫热能与动力工程。它由原来仅仅研究热机（汽轮机）的科目已经拓展制冷，高炉等领域。而且全国这个专业的学生依然是很紧俏的，原因主要是南方多为轻工业电子工业农业为主。而这个专业的大学生主要面向电厂。

概况从能源统计角度，热力是指可提供热源的热水、过热或饱和蒸汽；包括工业锅炉、公用热电站和企业自备电站生产的热水和蒸汽，使用单位的热水和蒸汽。

热力的计算蒸汽和热水的势力计算，与锅炉出口蒸汽、热水的温度和压力有关，计算方法：

第一步：确定锅炉出口蒸汽和热水的温度和压力，根据温度和压力值，在焓熵图（表）查出对应的每千克蒸汽、热水的热焓；

第二步：确定锅炉给水（或回水）的温度和压力，根据温度和压力值，在焓熵图（表）查出对应的每千克给水（或回水）的热焓；

第三步：求第一步和第二步查出的热焓之差，再乘以蒸汽或热水的数量（按流量表读数计算），所得值即为热力的量。

热力状态状态可能是平衡的,也可能是非平衡的（见热力平衡）。经典热力学研究的通常是热力平衡状态和由平衡状态所组成的过程。用于描述热力系统状态的物理量称为热力状态参数，或简称状态参数，如压力、温度和比容等。状态参数的数值仅仅取决于热力系统的状态，而与达到这种状态所经历的热力过程无关。因此，给定的状态有确定的状态参数值。换句话说，当一个状态参数的数值发生变化时，热力系统的状态也就发生变化。临界状态是热力状态的一种特定情况。

热力环流由于地面冷热不均而形成的空气环流，称为热力环流。它是大气运动的一种最简单的形式。

简介编辑

太阳辐射能的纬度分布不均，造成高低纬度间的热量差异，

热力环流的形成

引起大气运动。

近地面空气的受热不均 ，引起气流的上升

或下沉运动， 同一水平面上气压的差异和大气的水平运动都会影响热力环流的变化。

热力环流是大气运动最简单的形式，由于地面的冷热不均而形成的空气环流。其形成过程为：受热地区大气膨胀上升，近地面形成低气压，而高空形成高气压；受冷地区相反，从而在近地面和高空的水平面上形成了气压差，促使大气的水平运动，形成高低空的热力环流。热的地方空气受热膨胀上升，冷处收缩下沉。于是上空相同高度处，热地方单位面积空气柱重量（即气压）大，冷地方高空气压小，高空形成热－冷的气流。热处气流流失后，整个空气柱减轻，地面形成低压，冷处则形成高压，近地面形成冷－热的气流

热力环流中气压值的判断

。加上上升、下沉气流，构成了热力环流。

热力环流在现实生活中存在较为广泛，例如山谷风、海陆风、城市风等都是热力环流的具体体现。

热力环流与城市规划。城市内部由于人类活动排放大量余热，与郊区相比呈现“热岛效应”。城市与郊区之

间会形成热力环流，为保护城市大气环境，在城市规划时，要研究城市风的下沉距离。一方面将大气污染严重的工业布局在城市风下沉距离之外，以避免工厂排放的污染物流向城区；另一方面，应将工业卫星城建在城市风环流之外，以避免相互污染。

关于海陆风：白天吹海风，夜晚吹陆风。主要原因是水的比热容大。水的比热容是4.2*10^3焦耳每千克摄氏度 。

应用编辑

孔明灯、热气球利用了热力环流原理加热；暖气片、电热油汀利用了热力环流原理升高房间温度。

验证实验编辑

实验方法在一个用保鲜膜封闭的透明玻璃箱内，一边放冰块，一边放沙子，当把一支点燃的香放入冰块一侧时，就能明显的看到烟在箱内进行循环流动。（图中虚线箭头表示烟雾的运动方向。沙子最好预先在阳光下晒段时间，这样效果更明显。）

观察实验方法1实验器材：长方形的玻

热力环流实验

璃缸（长100厘米左右，宽3

0左右，高40厘米左右）、胶合板或塑料薄膜、一盆热水、一盆冰块、一束香、火柴等。

实验步骤：①将一盆热水

和一盆冰块分别放置在玻璃缸的两端；

②用平整的胶合板或塑料薄膜将玻璃缸上部开口处盖严；

③在胶合板或塑料薄膜的一侧（装冰块的盆上方）开一个小洞；

④将一束香点燃，放进小洞内。

学生观察烟雾在玻璃缸内是如何飘动的，能否发现什么规律?由实验可以得出什么样的结论?

方法2：关闭教室的门窗，尽量保持教室的气流稳定。点燃两根较粗的香，两支香摆放的距离大约在30～40厘米左右，一支香旁边放一个1000瓦的电热炉、另一支香旁边放一个较大的冰块，将电炉通电5分钟后，让学生观察卫生香烟的飘动方向。将电炉和冰块交换位置，观察烟的飘移方向。

在这个实验中，电炉上方空气加热，气压降低；冰块上方空气冷却，气压升高。香的烟总是飘向电炉上方，说明热的地方近地面产生低气压，气流从冷的地方流向热的地方，而高空气流则由热的上空流向冷的上空。

热力过程热力过程，热力系统在某种因素推动下发生状态变化的过程，热力过程的特点反映在过程方程上，过程方程描述受特定过程约束的热力状态参数间的函数关系，由此可得出系统变化前后的状态参数关系式。

简介编辑定容过程
容积V保持不变的热力过程，又称等容过程，例如密闭容器内的加热或冷却过程。过程方程为：V=常数，因此根据状态方程有：式中p1、p2、T1、T2、分别为系统初、终态的压力和温度。定容过程在p-V图（见图）上由垂直线1-2表示。它表明系统对外不作功，向系统输入的热量Q全部转变成系统内能U的增加，即式中m为系统的质量，cv为定容比热容1。
定压过程
压力p保持不变的热力过程，又称等压过程。例如在大气压力下，气缸中气体的受热膨胀。过程方程为：p=常数，因此V1/V2=T1/T2。它在p-V图上由水平线3-4表示。这时，系统对外所作的功
W=p(V2－V1)=m﹙R÷M﹚(T2－T1)=nR(T2-T1)
外界向系统输入的热量
Q=H2－H1=mcp(T2－T1)
式中R为理想气体的通用气体常数，cp为定压比热容；H为系统的焓。
定温过程
温度T保持不变的过程，又称等温过程。例如室温下缓慢地压缩气体的过程。过程方程为:T=常数，因此，p1V1=p2V2。它在p-V图上由等边双曲线5-6表示,过程中向系统输入的热量等于系统对外界所作之功，右图公式中ln为自然对数。

复杂过程/热力过程编辑绝热过程
系统与外界没有热量交换的热力过程。例如气体在气缸内的绝热膨胀。可逆的绝热过程在过程进行中其熵不变,故又称定熵过程。过程方程为：pV=常数，因此有：式中，称为绝热指数或比热容比，其中cv为定容比热容。绝热过程在p-V图上表示为
高次双曲线7-8，这时系统对外界所作的功。
多变过程
符合过程方程pV=常数,其中多变指数n在过程中保持不变的热力过程。参数关系式为过程中向系统输入的热量系统对外界所作的功当多变指数n值分别取0、1、γ、±∞时,多变过程就相应地成为前面提到的定压、定温、绝热和定容过程。

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所