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熱力學是研究熱現象中物質系統在平衡時的性質和建立能量的平衡關係,以及狀態發生變化時系統與外界相互作用(包括能量傳遞和轉換)的學科。工程熱力學是熱力學最先發展的一個分支,它主要研究熱能與機械能和其他能量之間相互轉換的規律及其應用,是機械工程的重要基礎學科之一。

1 熱力學 -簡介

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熱力學是熱學理論的一個方面。熱力學主要是從能量轉化的觀點來研究物質的熱性質,它揭示了能量從一種形式轉換為另一種形式時遵從的宏觀規律。熱力學是總結物質的宏觀現象而得到的熱學理論,不涉及物質的微觀結構和微觀粒子的相互作用。因此它是一種唯象的宏觀理論,具有高度的可靠性和普遍性。熱力學三定律是熱力學的基本理論。熱力學第一定律反映了能量守恆和轉換時應該遵從的關係,它引進了系統的態函數——內能。熱力學第一定律也可以表述為:第一類永動機是不可能造成的。

熱學中一個重要的基本現象是趨向平衡態,這是一個不可逆過程。例如使溫度不同的兩個物體接觸,最後到達平衡態,兩物體便有相同的溫度。但其逆過程,即具有相同溫度的兩個物體,不會自行回到溫度不同的狀態。這說明,不可逆過程的初態和終態間,存在著某種物理性質上的差異,終態比初態具有某種優勢。1854年克勞修斯引進一個函數來描述這兩個狀態的差別,1865年他給此函數定名為熵。1850年,克勞修斯在總結了這類現象后指出:不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化,這就是熱力學第二定律的克氏表述。幾乎同時,開爾文以不同的方式表述了熱力學第二定律的內容。用熵的概念來表述熱力學第二定律就是:在封閉系統中,熱現象宏觀過程總是向著熵增加的方向進行,當熵到達最大值時,系統到達平衡態。第二定律的數學表述是對過程方向性的簡明表述。1912年能斯脫提出一個關於低溫現象的定律:用任何方法都不能使系統到達絕對零度。此定律稱為熱力學第三定律。

熱力學的這些基本定律是以大量實驗事實為根據建立起來的,在此基礎上,又引進了三個基本狀態函數:溫度、內能、熵,共同構成了一個完整的熱力學理論體系。此後,為了在各種不同條件下討論系統狀態的熱力學特性,又引進了一些輔助的狀態函數,如焓、亥姆霍茲函數(自由能)、吉布斯函數等。這會帶來運算上的方便,並增加對熱力學狀態某些特性的了解。

從熱力學的基本定律出發,應用這些狀態函數,利用數學推演得到系統平衡態各種特性的相互聯繫,是熱力學方法的基本內容。熱力學理論是普遍性的理論,對一切物質都適用,這是它的優點,但它不能對某種特殊物質的具體性質作出推論。例如討論理想氣體時,需要給出理想氣體的狀態方程;討論電磁物質時,需要補充電磁物質的極化強度和場強的關係等。這樣才能從熱力學的一般關係中,得出某種特定物質的具體知識。平衡態熱力學的理論已很完善,並有廣泛的應用。但在自然界中,處於非平衡態的熱力學系統(物理的、化學的、生物的)和不可逆的熱力學過程是大量存在的。因此,這方面的研究工作十分重要,並已取得一些重要的進展。

2 熱力學 -研究內容

熱力學一個典型的熱力學系統

工程熱力學的基本任務是:通過對熱力系統、熱力平衡、熱力狀態、熱力過程、熱力循環和工質的分析研究,改進和完善熱力發動機、制冷機和熱泵的工作循環,不斷提高熱能利用率和熱功轉換效率。

為此,必須以熱力學基本定律為依據,探討各種熱力過程的特性;研究氣體和液體的熱物理性質,以及蒸發和凝結等相變規律;研究溶液特性也是分析某些類型制冷機所必需的。現代工程熱力學還包括諸如燃燒等化學反應過程和溶解吸收或解吸等物理化學過程,這就又涉及化學熱力學方面的基本知識。

3 熱力學 -研究方法

工程熱力學是關於熱現象的宏觀理論,研究的方法是宏觀的,它以歸納無數事實所得到的熱力學第一定律(各種形式能量在相互轉換時總能量守恆)、熱力學第二定律(能量貶值)和熱力學第三定律(絕對零度不可達到)作為推理的基礎,通過物質的壓力、溫度、比容等宏觀參數(見熱力狀態)和受熱、冷卻、膨脹、收縮等整體行為,對宏觀現象和熱力過程進行研究。

這種方法,把與物質內部結構有關的具體性質當作宏觀真實存在的物性數據予以肯定,不需要對物質的微觀結構作任何假設,所以分析推理的結果具有高度的可靠性,而且條理清楚。這是它的獨特優點。

4 熱力學 -發展簡史

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古代人類早就學會了取火和用火,但是後來才注意探究熱、冷現象本身,直到17世紀末還不能正確區分溫度和熱量這兩個基本概念的本質。在當時流行的"熱質說"統治下,人們誤認為物體的溫度高是由於儲存的熱質數量多。1709~1714年華氏溫標和1742~1745年攝氏溫標的建立,才使測溫有了公認的標準。隨後又發展了量熱技術,為科學地觀測熱現象提供了測試手段,使熱學走上了近代實驗科學的道路。1798年,Count von朗福德觀察到用鑽頭鑽炮筒時,消耗機械功的結果使鑽頭和筒身都升溫。1799年,英國人H.戴維用兩塊冰相互摩擦致使表面融化,這顯然無法由熱質說得到解釋。1842年,J.R.von邁爾提出了能量守恆理論,認定熱是能的一種形式,可與機械能互相轉化,並且從空氣的定壓比熱容與定容比熱容之差計算出熱功當量。英國物理學家J.P.焦耳於1840年建立電熱當量的概念,1842年以後用不同方式實測了熱功當量。1850年,焦耳的實驗結果已使科學界徹底拋棄了熱質說,公認能量守恆、而且能的形式可以互換的熱力學第一定律為客觀的自然規律。能量單位焦耳(J)就是以他的名字命名的。

熱力學的形成與當時的生產實踐迫切要求尋找合理的大型、高效熱機有關。1824年,法國人S.卡諾提出著名的卡諾定理,指明工作在給定溫度範圍的熱機所能達到的效率極限,這實質上已經建立起熱力學第二定律,但受"熱質說"的影響,他的證明方法還有錯誤。1848年,英國工程師開爾文(即W.湯姆森)根據卡諾定理制定了熱力學溫標。1850年和1851年,德國的R.克勞修斯和開爾文先後提出了熱力學第二定律,並在此基礎上重新證明了卡諾定理。1850~1854年,克勞修斯根據卡諾定理提出並發展了熵。熱力學第一定律和第二定律的確認,對於兩類"永動機"的不可能實現作出了科學的最後結論,正式形成了熱現象的宏觀理論熱力學。同時,也形成了"工程熱力學"這門技術科學,它成為研究熱機工作原理的理論基礎,使內燃機、汽輪機、燃氣輪機和噴氣推進機等相繼取得迅速進展。與此同時,在應用熱力學理論研究物質性質的過程中,還發展了熱力學的數學理論,找到反映物質各種性質的相應熱力學函數,研究了物質在相變、化學反應和溶液特性方面所遵循的各種規律。1906年,德國的W.H.能斯脫在觀察低溫現象和化學反應中發現熱定理。1912年,這個定理被修改成熱力學第三定律的表述形式。20世紀初以來,對超高壓、超高溫水蒸汽等物性和極低溫度的研究不斷獲得新成果。

5 熱力學 -原理

熱力學開爾文根據卡諾定理制定了熱力學溫標
熱力學原理是一些制約能量從一種形式轉換為另一種形式的定律。這些定律的很多推論給出物質性質與壓力、溫度、電場、磁場、成分的改變所產生的效應之間的關係。大量的科學實踐是在這一學科基礎上建立起來的。熱力學是建立在人們共同經驗觀測基礎之上的,由這些觀測歸納成熱力學定律。從幾個這樣的定律出發,可用純邏輯推理的方法,演繹出這一學科的全部其餘定律。有一種做法認為只有少數定律是獨立的,從它們可以推導出其餘定律。最近的趨勢是選擇不是最早發現的那些定律和假設作為基本的定律和假設。某些這種選擇是十分有用的,因為由此可以很快地推導出其餘定律。但是這裡仍將討論隨著歷史的發展而出現的那些定律,因為它們既不抽象,又可提供一個較明晰的物理解釋。可以說,當定義了三個態函數:絕對溫度T、內能U和嫡S后,熱力學原理的整個發展就完滿了。

第零定律確立了溫度的概念,第一定律定義了內能,第二定律引進了墒的概念和絕對溫標。最後,第三定律描述了嫡和內能在絕對溫度趨向零時的行為。為了便於說明,必須定義幾個名詞。系統是要考察的那部分物質世界。其餘部分是周圍介質。開放系統可以與周圍介質交換物質、熱量和功。封閉系統可以與周圍介質交換熱量和功,但不交換物質。孤立系統不與周圍介質發生任何交換。一個封閉系統或者孤立系統有時是指一個物體。一個系統內空間上均一的部分叫做擔。例如一個液體連同蒸氣可以認為是兩相系統.如果需要的話,可以把系統搞得相當仔細,但因關心的是熱性質,所以只討論沒有受電場或磁場作用的單相各向同性的系統,唯一允許的作用力是均勻的法向壓力產生的。

這樣一個約束不是對熱力學普遍性以根本限制,而只是便於教學。平衡態的特性與熱力學有關的物質性質都是一些宏觀性質,如溫度、壓力、體積、濃度、表面張力和粘滯度,不使用像原子間距離那樣的分子性質。一個系統的狀態是由全部宏觀性質連同它們的空間變化來加以確定的。經驗證明,一個孤立系統總會趨向一個特別簡單的終態,此時系統的宏觀性質是恆定的,而且在空間上是均勻的。這樣的簡單狀態稱為平衡態。如果人們關心一個單相系統的某一個給定的量,其平衡態完全可由r1個系統的宏觀性質所確定,這裡r是組元的數目。對一個不受磁場和電場作用的單組元、單相系統可以固定系統的兩個宏觀性質,例如壓力和體積所有其餘宏觀性質,如粘滯度、表面張力等等,也都取固定值。

6 熱力學 -相關學科

靜力學、動力學、流體力學、分析力學、運動學、固體力學、材料力學、複合材料力學、流變學、結構力學、彈性力學、塑性力學、爆炸力學、磁流體力學、空氣動力學、理性力學、物理力學、天體力學、生物力學、物理學、力學、熱學、光學、聲學、電磁學、核物理學、固體物理學。

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