绪论

绪论 热力学与工程热力学不同，前者致力于基础理论的研究，后者则偏重于应用研究。它们各具特点，且沿着各自的道路发展着。但是它们之间有着密切的联系，热力学为工程热力学提供了可靠的理论基础，而热力学理论在工程热力学中得到充分的应用和拓展。因此，扼要地介绍一下热力学发展概况，有益于对工程热力学的认识和理解。

§0—1热力学发展概况

热力学是研究自然界中各种能量形式相互转换规律以及能量转换与物质性质之间关系的物理理论。 世界是物质的，物质处于不停的运动中，各种物质在运动中具有各种不同形式的能量，如热能、机械能、电能、磁能、光能、生物能、核能与化学能等等。各种形式能量之间的相互转换是自然界物质运动的重要标志。热力学基本定律所反映的能量转换规律揭示了客观世界的根本规律。因此，热力学理论是一门具有普遍意义的学科，是人类认识和改造客观世界有力的理论武器。 热力学理论的普适性与科学性，在科学巨匠爱因斯坦的著作“Philosopher—Scientist”中作出了恰当的评价： “一种理论，其前提愈简单，所涉及的事物愈多，其适应范围愈广泛，它给人们的印象就愈深刻。因此，经典热力学对我造成了深刻印象。我相信，这是在它的基本概念可以应用的范围内决不会被推翻的唯一具有普遍内容的物理理论”。 热力学理论不仅为人类的现代物质文明作出了巨大的贡献，而且在当前不断涌动的新思潮中，引起许多哲学家和社会活动家的兴趣。例如美国著名社会活动家J.里夫金和T.霍华德曾在“熵——一种新的世界观”一书中倡导人们在处理经济和社会问题时，放弃牛顿、培根和笛卡尔的机械论世界观，而代之以热力学世界观。 一个半世纪以来，热力学的发展大体分为三个阶段。第一阶段主要是平衡态理论的研究，第二阶段主要是线性非平衡态理论的研究，第三阶段是非线性非平衡态理论的研究。三个阶段理论研究的结果标志人类对客观世界认识上的不断深入。

一、平衡态热力学的发展

对自然界中热力学规律的认识和掌握，是人类自身发展的重要前提。早在远古时期，人们在实践活动中就发现了机械运动可以转化为热（钻木取火这一重大发现可以看作是人类历史的开端。但是，人类认识热可以向机械能的逆向转化却是经历了漫长的历史岁月，在古代文明高度发展的我国，到12、13世纪有了用热驱动走马灯和用火药燃烧推动火箭飞行的记载。但是，由于我国历代王朝的封建统治阻碍了生产力的发展，不能将人民的创造发明用于生产，更不能发展成系统的理论。直到18世纪蒸汽机发明后，在历史的推动下，西方从事了大量的热一功转换的研究，于19世纪40年代到50年代才初步地确立了热力学的两个基本定律（热力学第一定律和第二定律），并于19世纪下半叶获得进一步的完善。20世纪初（1906年），热力学第三定律的确立和更晚一些时间对热力学第零定律的确认，才完成了以第零定律，第一定律，第二定律和第三定律为支柱的完整的经典热力学理论体系。为经典热力学作出过重大贡献的科学家有迈耶、焦耳、赫姆霜兹、克劳修斯、汤姆生和能斯特等。 经典热力学在发展和应用中表现出惊人的有效性，使它成为19世纪时髦科学而风糜科坛，吸引了科学家们对它的微观基础的研究。19世纪的后期，在分子动力学的基础上，麦克斯韦、玻尔兹曼等人首先建立了麦一玻统计法，把宏观热力学世和微观分子结构与运动联系起來。尔后，美国的吉布斯又建立了应用更广的系综统计理论。这时的统计热力学称为经典统计热力学，因为他们对微观粒子运动的描述基于经典力学，因而有其局限性。随着上世纪末量子论的出现，爱因斯坦对经典统计进行了修正。直到20世纪20年代，量子力学的充分发展，陆续建立起玻色一爱因斯坦统计和费米一狄拉克统计的量子统计后，使统计热力学理论完善起来。 经典热力学与统计热力学是平衡态热力学理论的两个方面，前者从宏观上研究物质热运动的规律，而后者则是从微观上研究物质热运动的规律。两种平衡态理论相互补充，相辅相成，为热力学理论的发展奠定了坚实的理论基础。

二、线性非平衡态热力学的发展

线性非平衡态热力学亦称不可逆过程热力学。是20世纪30年代以后发展起来的新的热力学理论。 经典热力学在实践中起着重要的作用，随着人类对自然界探索的不断深化，仅有经典热力学的理论是不够的。因为经典热力学的着眼点是过程的结果，而不是过程随时间、空间变化的细节。不可逆性是一切实际过程的基本特征，因此，在平衡态理论的研究过程中，人们就已经注意到了非平衡态问题。事实上，非平衡态的研究始于上世纪，但逐步形成理论体系则是20世纪30年代以后的事。首先由昂萨格于1931年建立了描述不可逆过程中线性唯象定律中各系数间著名的“倒易关系”，为不可逆过程热力学的研究铺平了道路，20世纪40年代，普里戈京等确立了最小熵产原理，形成了统一的不可逆过程热力学的唯象理论。 这时的非平衡态热力学称为线性非平衡态热力学，其前提是：在物理上，系统的状态偏离平衡态不远；在数学上，将它对平衡态进行台劳展开时，可以忽略高次项，只取线性项。 线性非平衡态热力学的发展仍植根于平衡态热力学，在局域平衡假设下，使平衡态的概念、理论和方法在其中得到了充分的应用。线性非平衡态热力学的发展，使热力学理论更普遍化，事实上，当各种不可逆因素趋于零时，它又回复到平衡态热力学。和平衡态热力学一样，在其宏观理论的发展过程中，相应的微观理论也有了相应的发展。 三、非线性非平衡态热力学的发展 非线性非平衡态热力学，当前亦称“耗散结构理论”。它是20世纪60年代到70年代，由普里戈京所领导的布鲁塞尔派提出与发展起来的，这一研究把热力学理论的发展推向了一个新的高潮。当系统处于远离平衡态的情况下，系统与环境之间大量的质量交换和能量交换，在某些动力学条件下，使无序状态中原有的涨落被放大，出现新的有序状态（第二类有序），亦称“耗散结构”。新的有序状态的形成，除了系统处于远离平衡状态而有大量质量、能世交换的条件外，在其动力学过程中，还必须有适当的非线性反馈。 非线性非平衡态热力学的研究，是热力学理论体系的深入发展，是人类对客观世界认识上的一次新的飞跃，对人类的发展有着巨大的意义。它的出现，解开了长期来搁置在人们心头的热力学时间箭头与生物学、社会学时间箭头相矛盾的困惑，从而使人们更深刻的感受到热力学的普遍性。它不仅影响着人文科学和社会科学的哲学观念，而且在生命科学、生态系统、社会系统和未来的高新技术中发挥更大的作用。 应该说，非线性非平衡态热力学的研究尚属开创阶段，即使对于理论上的问题，也需进一步的研究和完善。平衡态热力学和线性非平衡态热力学，从被人们接受到实际应用都经历了一个历史过程，对非线性非平衡态热力学的接受和应用也将需要一个过程，这个过程的长短取决于理论本身发展的完善程度和生产力发展的水平。

四、热力学的分支

热力学除了在纵深方向上有了惊人的发展并取得巨大成就外，随着各阶段理论的不断完善和社会生产水平的不断提高，它的理论、概念和方法逐步延伸到许多学科领域，产生了各种热力学分支学科。例如，工程热力学、化学热力学、气动热力学、气象热力学、材料热力学、表面热力学、生物热力学、低温（超导）热力学，以及信息热力学等等。某些早期形成的热力学分支学科，带着自身的特点不断地发展着，在自身的发展的过程中又产生了新的分支。 总之，在19世纪，热力学只是一个以经典热力学第一定律和第二定律为基础的理论体系，经本世纪的努力，不仅使热力学理论体系不断地完善和深入，而且在浩瀚的科海中，它已形成一个庞大的热力学家族。

§0—2工程热力学的内容及特点

工程热力学是热力学理论与工程应用相结合的应用基础学科。它的任务是研究工程中能量转换的基本规律以及能量转换与工作物质（简称工质)性质之间的关系。因此，工程热力学的内容包括以下方面： 一、研究工程技术中能量转换的规律 热力学原理给出了客观世界中能量转换的基本定律。而工程热力学则从这些基本定律出发，研究在实际工程中这些规律的特定表现。例如，热力学中给出第一定律的表达式：δQ=dE+δW，在工程中，工质可能处在各种不同情况（流动、变质量、化学反应、热离解、电离解，•••）下，在这些情况下，第一定律表达式中各项应包括哪些内容？其表达式应具有何种形式？这是工程热力学中须要具体研究的。又如在热力学中给出了不可逆性对熵增的影响，在工程热力学中则不仅要通过熵分析研究工程系统或工程设备中不可逆因素对能量可用性的影响，而且要分清不同类型不可逆因素在影响能量可用性时所起的作用和占据的地位。实际工程都是在一定环境中实施的，除了不可逆因素之外，在工程热力学中还须考虑环境参数对能量可用性的影响。诸如此类的问题，工程热力学和热力学有所不同，而表现出自身的特点。 另外，工程热力学的特点决定了它与生产、生活和国计民生的密切关系。人类需要自然界中各种形式的能量，但迄今为止，用量最大的主要是热能、机械能和电能。人类在生活中需要热能，在生产活动中更需要大量的热能。在当前化学燃料（煤、石油、天燃气）和核燃料为主要能源的情况下，化学能或核能首先转换为热能，然后转换为机械能（为人类生产服务），例如拖拉机、车.船、飞机和化学火箭等。相当一部分的化学能和核能在转换为热能后，则须通过汽轮机、燃汽轮等转换为机械能，然后通过发电机转换为人类广为需要的电能。电能在实际应用中又有一部分通过电热装置转换为热能，以满足人类生活和生产的需要。由此可见，在与人类生活和生产活动密切相关的能量转换中，热能的转换与利用处于中心环节，人类在利用能量的过程中，通过热能形式而被利用的能量，占85%以上。同时，在工程中，各种能量的损失，皆以热能的形式表现出来，例如摩擦生热，电耗生热，磁耗生热等等。因此，工程热力学在研究能量转换时，须将热能摆在中心位置，研究它与其它形式能量之间相互转换的规律。

二、研究工程技术中能量转换的过程

各种形式能量之间的转换都是在过程中进行的。工程热力学中的热能和其它形式能量之间的转换也都是在某一特定的过程中完成的，过程中将伴随工质热力状态的变化。在实际工程中，物质从一种热力状态变化到另一种热力状态的过程，一般称为热力过程。而把工作物质从一种热力状态经历一系列变化后又回到原状态的过程称为循环过程。工程热力学中研究的能量转换过程包括热力过程和循环过程。对于某些特定装置（例如，锅炉、汽轮机、冷凝器、水泵），经历一个或几个热力过程，而对于由锅炉、汽轮机、冷凝器、水泵这些设备组成的热动力系统的循环过程，一般也是由这些热力过程组合而成。因此工程热力学就过程本身而言主要对各种热力过程的特点进行研究，而对循环过程的研究则是按照各种热力过程的特点如何组织循环和如何分析循环以获得最佳效果。 工程热力学从热力学基本定律出发，研究得出适合于工程需要的基本定律表达，然后针对各种热力过程的持定条件，研究其参数变化和能量转换的规律的特定表达形式，为实际工业装置提供设计和分析的依据，从而体现了工程热力学研究内容的应用特点。工程实际中尽管各种设备的功能和结构多种多样，但是它们所经历的热力过程可归纳和理想化为几种典型的过程，例如绝热过程、定容过程、定压过程、定温过程等，此外，