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(包括能量传递和转换)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。
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1 简介
2 研究内容
3 研究方法
4 发展简史
5 原理
6 相关学科
7 参考资料
热力学-简介

相关书籍
热力学是热学理论的一个方面。热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质,它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律。热力学是总结物质的宏观现象而得到的热学理论,不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用。因此它是一种唯象的宏观理论,具有高度的可靠性和普遍性。热力学三定律是热力学的基本理论。热力学第一定律反映了能量守恒和转换时应该遵从的关系,它引进了系统的态函数——内能。热力学第一定律也可以表述为:第一类永动机是不可能造成的。
热学中一个重要的基本现象是趋向平衡态,这是一个不可逆过程。例如使温度不同的两个物体接触,最后到达平衡态,两物体便有相同的温度。但其逆过程,即具有相同温度的两个物体,不会自行回到温度不同的状态。这说明,不可逆过程的初态和终态间,存在着某种物理性质上的差异,终态比初态具有某种优势。1854年克劳修斯引进一个函数来描述这两个状态的差别,1865年他给此函数定名为熵。1850年,克劳修斯在总结了这类现象后指出:不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化,这就是热力学第二定律的克氏表述。几乎同时,开尔文以不同的方式表述了热力学第二定律的内容。用熵的概念来表述热力学第二定律就是:在封闭系统中,热现象宏观过程总是向着熵增加的方向进行,当熵到达最大值时,系统到达平衡态。第二定律的数学表述是对过程方向性的简明表述。1912年能斯脱提出一个关于低温现象的定律:用任何方法都不能使系统到达绝对零度。此定律称为热力学第三定律。
热力学的这些基本定律是以大量实验事实为根据建立起来的,在此基础上,又引进了三个基本状态函数:温度、内能、熵,共同构成了一个完整的热力学理论体系。此后,为了在各种不同条件下讨论系统状态的热力学特性,又引进了一些辅助的状态函数,如焓、亥姆霍兹函数(自由能)、吉布斯函数等。这会带来运算上的方便,并增加对热力学状态某些特性的了解。
从热力学的基本定律出发,应用这些状态函数,利用数学推演得到系统平衡态各种特性的相互联系,是热力学方法的基本内容。热力学理论是普遍性的理论,对一切物质都适用,这是它的优点,但它不能对某种特殊物质的具体性质作出推论。例如讨论理想气体时,需要给出理想气体的状态方程;讨论电磁物质时,需要补充电磁物质的极化强度和场强的关系等。这样才能从热力学的一般关系中,得出某种特定物质的具体知识。平衡态热力学的理论已很完善,并有广泛的应用。但在自然界中,处于非平衡态的热力学系统(物理的、化学的、生物的)和不可逆的热力学过程是大量存在的。因此,这方面的研究工作十分重要,并已取得一些重要的进展。
热力学-研究内容
一个典型的热力学系统
工程热力学的基本任务是:通过对热力系统、热力平衡、热力状态、热力过程、热力循环和工质的分析研究,改进和完善热力发动机、制冷机和热泵的工作循环,不断提高热能利用率和热功转换效率。
为此,必须以热力学基本定律为依据,探讨各种热力过程的特性;研究气体和液体的热物理性质,以及蒸发和凝结等相变规律;研究溶液特性也是分析某些类型制冷机所必需的。现代工程热力学还包括诸如燃烧等化学反应过程和溶解吸收或解吸等物理化学过程,这就又涉及化学热力学方面的基本知识。
热力学-研究方法
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(各种形式能量在相互转换时总能量守恒)、热力学第二定律(能量贬值)和热力学第三定律(绝对零度不可达到)作为推理的基础,通过物质的压力、温度、比容等宏观参数(见热力状态)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。
热力学-发展简史

相关书籍
古代人类早就学会了取火和用火,但是后来才注意探究热、冷现象本身,直到17世纪末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,Count von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H.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,J.R.von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J.P.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、而且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(J)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S.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(即W.汤姆森)根据卡诺定理制定了热力学温标。1850年和1851年,德国的R.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。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,找到反映物质各种性质的相应热力学函数,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W.H.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。20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。
热力学-原理

开尔文根据卡诺定理制定了热力学温标
热力学原理是一些制约能量从一种形式转换为另一种形式的定律。这些定律的很多推论给出物质性质与压力、温度、电场、磁场、成分的改变所产生的效应之间的关系。大量的科学实践是在这一学科基础上建立起来的。热力学是建立在人们共同经验观测基础之上的,由这些观测归纳成热力学定律。从几个这样的定律出发,可用纯逻辑推理的方法,演绎出这一学科的全部其余定律。有一种做法认为只有少数定律是独立的,从它们可以推导出其余定律。最近的趋势是选择不是最早发现的那些定律和假设作为基本的定律和假设。某些这种选择是十分有用的,因为由此可以很快地推导出其余定律。但是这里仍将讨论随着历史的发展而出现的那些定律,因为它们既不抽象,又可提供一个较明晰的物理解释。可以说,当定义了三个态函数:绝对温度T、内能U和嫡S后,热力学原理的整个发展就完满了。
第零定律确立了温度的概念,第一定律定义了内能,第二定律引进了墒的概念和绝对温标。最后,第三定律描述了嫡和内能在绝对温度趋向零时的行为。为了便于说明,必须定义几个名词。系统是要考察的那部分物质世界。其余部分是周围介质。开放系统可以与周围介质交换物质、热量和功。封闭系统可以与周围介质交换热量和功,但不交换物质。孤立系统不与周围介质发生任何交换。一个封闭系统或者孤立系统有时是指一个物体。一个系统内空间上均一的部分叫做担。例如一个液体连同蒸气可以认为是两相系统.如果需要的话,可以把系统搞得相当仔细,但因关心的是热性质,所以只讨论没有受电场或磁场作用的单相各向同性的系统,唯一允许的作用力是均匀的法向压力产生的。
这样一个约束不是对热力学普遍性以根本限制,而只是便于教学。平衡态的特性与热力学有关的物质性质都是一些宏观性质,如温度、压力、体积、浓度、表面张力和粘滞度,不使用像原子间距离那样的分子性质。一个系统的状态是由全部宏观性质连同它们的空间变化来加以确定的。经验证明,一个孤立系统总会趋向一个特别简单的终态,此时系统的宏观性质是恒定的,而且在空间上是均匀的。这样的简单状态称为平衡态。如果人们关心一个单相系统的某一个给定的量,其平衡态完全可由r1个系统的宏观性质所确定,这里r是组元的数目。对一个不受磁场和电场作用的单组元、单相系统可以固定系统的两个宏观性质,例如压力和体积所有其余宏观性质,如粘滞度、表面张力等等,也都取固定值。
热力学-相关学科
静力学、动力学、流体力学、分析力学、运动学、固体力学、材料力学、复合材料力学、流变学、结构力学、弹性力学、塑性力学、爆炸力学、磁流体力学、空气动力学、理性力学、物理力学、天体力学、生物力学、物理学、力学、热学、光学、声学、电磁学、核物理学、固体物理学。

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