工程熱力學[熱力學學科分支]

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套用，是機械工程的重要基礎學科之一。

基本任務

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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，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；研究工質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，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。

研究內容

工程熱力學是關於熱現象的巨觀理論，研究的方法是巨觀的，它以歸納無數事實所得到的熱力學第一定律、熱力學第二定律和熱力學第三定律作為推理的基礎，通過物質的壓力 、溫度、比容等巨觀參數和受熱、冷卻、膨脹、收縮等整體行為，對巨觀現象和熱力過程進行研究。

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這種方法，把與物質內部結構有關的具體性質，當作巨觀真實存在 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。

歷史發展

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古代人類早就學會了取火和用火，不過後來才注意探究熱、冷現象的實質。但直到17世紀末，人們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，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，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、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，英國工程師開爾文根據卡諾定理制定了熱力學溫標。1850年和1851年，德國的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的概念。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巨觀理論熱力學。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，在套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，找到了反映物質各種性質的相應的熱力學函式，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。

二十世紀初以來，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複合循環、新型的複合工質的研究發生了很大興趣。