工程热力学的研究对象、任务和方法简介

工程热力学是从工程应用的角度研究热能与机械能相互转换规律的科学。

能量转换必须遵循的基本规律有两条：热力学第一定律和热力学第二定律。

热力学第一定律是普遍适用的能量转换和守恒定律在热力学系统中的应用，它说明各种形式的能量可以相互转换，并在转换时数量是守恒的。但是，热力学第一定律所允许的能量转换过程并不是全都可以实现的。例如，一辆疾驶的汽车刹车时，汽车的动能通过摩擦变成热能而散失到环境中去，汽车随之停止前进。反之，对汽车车轮加热，补偿其散失的热能，汽车却不能恢复到原来飞速行驶的状态。由此可见，自发的能量转换是有方向性的。这是因为热能是分子热运动所具有的能量，它是不规则运动的能量，而机械能则是物体整体运动所具有的能量，因而是规则运动的能量。所以，将热能转换为机械能，即把不规则运动的能量转换为规则运动的能量，只能通过工质的受热膨胀来实现。因此，热能转换为机械能是有条件的，有限度的。热力学第二定律就是研究热能和其他形式能量相互转换时的方向、条件和限度。

热力学第一、第二定律是能量转换必须遵守的普遍规律，人们只能认识它，运用它，而不能违反或改变它。但应看到，能量转换不能孤立地进行，总是在一定的内、外条件下发生和发展的。在不违反客观规律的前提下，人们却可以使内、外条件变化，甚至可以创造，使能量转化朝着有利的方向发展。因此，实现能量转换的内、外条件应是热力学的主要研究内容。那么，什么是能量转换的内、外条件呢？

能量是物质运动的度量。能量和物质不可分割，能量的转换必须以物质为媒介。在工程热力学中把热能转变为机械能的媒介物称为工质。工质不同，能量转换的效果也不一样。工质的性质是实现能量转换的内部条件，工质的性质影响能量转换的效果。前已指出，热能转换为机械能是通过工质的受热膨胀来实现的，因此，作为工质的物质必须具有良好的膨胀性和良好的流动性。所以，热能动力装置所用工质一般为气态物质，如空气、燃气和蒸汽。(www.xing528.com)

仅有内部条件尚不足以实现能量的转换，还必须有适当的外部条件，外部条件有时甚至是关键的。例如，在热功转换时，如把气缸的活塞卡住，不许它移动，或把工质置于一体积不变的刚性容器中，此时即使有了气相工质，但因工质的体积不能改变，热变功的转换过程仍然无法实现。欲使之实现，必须要有允许工质体积变化的外部条件。可是热力学并不管外界的具体条件，也不描写外界的状态变化。那么热力学是如何研究能量转换的外部条件的呢？众所周知，外因是通过内因起作用的，在不同的外部条件下，工质的状态变化过程不同，能量转换的结果也随之而异，工质状态的变化过程是外部作用的结果。如上述活塞卡住或刚性容器的外部条件，系统内部反映是体积不变，可用定容过程反映其外部条件，因此，热力学是通过研究工质状态变化的热力过程来分析外部条件的影响的。

工程热力学是将经典热力学的基本原理与工程的实际应用密切结合起来，而发展成的一门基础性的应用学科。工程热力学的基本内容，按照其性质可分为三个部分：（1）基本概念和定律；（2）工质的性质和过程；（3）工程应用。这些内容都是有机地结合在一起的。前两部分都是从大量的工程应用实践中总结出来的基础理论；第三部分是这些基础理论在解决实际工程问题时的综合应用。应当联系工程实际来理解基础理论，又应当在解决工程实际问题时体现基础理论的指导作用。加强工程观念，理论联系实际，这是学习工程热力学的基本方法。

工程热力学所研究的是我们能直接观察到的宏观现象。它的研究方法是宏观方法，即从能量的观点出发，依据由经验所建立的热力学第一和第二定律，以及有关工质性质的实验数据，得出一系列有关热功转换的计算公式，供分析和计算使用。因为这种研究方法只是依据经验定律和数学推导，没有作任何人为的假设，所以由此而得到的结论和计算公式十分可靠。它的缺点是没有研究物质的微观结构，因而只能从实验得出结论而无法说明这一结论的物理本质。因此，热力学的研究方法限定了热力学理论只是从宏观方面研究现象，它只回答“是什么”，而不能回答“为什么”。从微观方面来研究热现象的理论是统计物理学，它是从物质的微观结构的假设出发，应用微观粒子运动的力学定律和统计方法来研究物质的热性质。由于统计物理学更深入到微观现象的本质，所以从其基本原理出发也可导出热力学第一、第二定律和工质的性质，这就可以透过宏观现象阐明其物理本质。不过统计物理学的缺点是，在推导过程中要对物质结构模型作一些简化或假设，因此从理论上得出的结果就与实际情况有相当大的差别。本书以宏观方法为主，对宏观的结果只作适当的定性的微观解释。

总之，工程热力学的研究对象、任务和方法可作如下概括：“工程热力学是从工程应用的角度研究热能和机械能的转换规律和工质的性质，找出提高能量利用经济性的最有效途径，它使用的是宏观方法。”