熱力學

　　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。

　　研究內容　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、熱力迴圈和工質的分析研究，改進和完善熱力發動機機、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。

　　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恒)、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。

　　簡史　古代人類早就學會瞭取火和用火，但是後來才註意探究熱、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，才使測溫有瞭公認的標準。隨後又發展瞭量熱技術，為科學地觀測熱現象提供瞭測試手段，使熱學走上瞭近代實驗科學的道路。1798年，Count von朗福德觀察到用鉆頭鉆炮筒時，消耗機械功的結果使鉆頭和筒身都升溫。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邁爾提出瞭能量守恒理論，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。英國物理學傢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瞭熱功當量。1850年，焦耳的實驗結果已使科學界徹底拋棄瞭“熱質說”，公認能量守恒、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范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)根據卡諾定理制定瞭熱力學溫標。1850年和1851年，德國的R.克勞修斯和開爾文先後提出瞭熱力學第二定律，並在此基礎上重新證明瞭卡諾定理。1850～1854年，克勞修斯根據卡諾定理提出並發展瞭熵。熱力學第一定律和第二定律的確認，對於兩類“永動機”的不可能實現作出瞭科學的最後結論，正式形成瞭熱現象的宏觀理論熱力學。同時，也形成瞭“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，還發展瞭熱力學的數學理論，找到反映物質各種性質的相應熱力學函數，研究瞭物質在相變、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。隨著對能源問題的重視，人們對與節能有關的復合循環、新型的復合工質（包括制冷劑或冷煤）和㶲（可用能）的研究發生瞭很大興趣。

參考書目

　G.N.Hatsopoulos and J.H.Keenan，Principles of General Thermodynamics，reprint ed.，John Wiley &Sons，New York，1981.

　M.W.Zemansky and R.H.Dittman，Heat and Thermodynamics，6th ed.，McGraw-Hill，New York，1981.

　沈維道、鄭佩芝、蔣淡安：《工程熱力學》第二版，高等教育出版社，上海，1983。