热力学的演变与趋势

一、热力学的发展简史

热力学的建立起源于对热机效率的理论探索。19世纪初，已开始普及瓦特蒸汽机，但其效率仍然很低，为了提高蒸汽机的效率，许多工程师和科学家认为，仅凭经验或改革加工工艺是不能实现的，只有从理论上突破才能达到。于是科学家开始了从理论上研究热机工作的热力学原理。

1843年，英国的焦耳和德国的迈尔几乎同时独立地测出了热功当量。焦耳、迈尔及法国数学家迪卡尔、德国物理学家赫尔姆霍茨、英国物理学家格罗沃等十几位从事不同职业的科学家经过十几年的共同论证，建立了能量守恒和转换定律，即热力学第一定律。它是自然科学中关于物质运动的最重要、最普遍的定律之一。

1824年，法国物理学家、工程师卡诺发表了他一生中惟一的论文《关于火的动力及产生这种动力机器的研究》。在这篇文章中，提出了卡诺循环和卡诺定理，奠定了建立热力学第二定律的基础。德国物理学家克劳修斯于1850年提出了热力学第二定律，并建立了与测温物质无关的热力学温标。1851年，英国物理学家威廉·汤姆孙（开尔文男爵）从热功转换关系上表述了热力学第二定律。1865年，克劳修斯又引进了一个新的概念：熵，用以定量地表示系统转化为有用功的能力。所以，热力学第二定律又称为熵增原理。1872年奥地利物理学家波尔兹曼从分子运动论出发，对热力学第二定律做出了统计几率的解释。

热力学第一、第二定律是热力学的核心，它们的建立，标志着热力学研究逐渐成熟。后来（1906年）又产生了热力学第三定律和更晚一些时间的热力学第零定律，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。

二、热力学的发展现状与趋势

经典热力学在实践中起着重要的作用，它随着人们对自然界探索的不断深入，而飞速发展，已形成一个庞大的热力学家族。

1.热力学理论

热力学的几个基本定律奠定了经典热力学的基础，并在工程实践中起着重要的作用。随着人类对自然界探索的不断深入，仅用经典热力学的研究方法是不够的。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进展的细节。而一切热过程是以其不可逆性作为共同特征的。因此不可逆过程热力学作为一个重要分支蓬勃地发展起来。早期有由Onsager的线性惟象定律而发展的“线性非平衡热力学”和Muller的“扩展不可逆过程热力学”。后来Prigogine所领导的布鲁塞尔学派发展了著名的“耗散结构理论”，从而把不可逆热力学研究推向了又一个高峰。

有限时间热力学同样研究非平衡系统不可逆过程的性质，涉及到过程进行的时间或速率等问题，从而考察过程变化的最佳净效果。

研究热力学性质和能量间关系的另一种方法是建立在大量粒子群的统计性质的基础上。这种建立在微观观点之上的研究称为统计热力学。这种理论促进了近代像热离子现象、热电现象等一类能量直接转换的新方式的发展，也促进了对工质热物理本质的深刻认识。

以上谈到的热力学理论研究工作对揭示自然现象本质有重要的作用。它使经典热力学从原理到方法都得到了很大的扩充，在分析一些复杂过程和交叉现象时显示了它的威力，并必将在进一步完善其本身的过程中发挥更大的作用。

2.热力循环

在工程热力学与动力机械的发展史上，早期是具体机械的发明与实践带动热力循环和动力机械理论的发展，如蒸汽机在历史上的作用。而在科学发展到一定阶段后，则更多的是新循环、新工质、新设想的提出带动了动力机械实践的飞跃，如把喷气发动机早年的纯喷气循环改为内外函循环。各种形式的联合循环是当前和今后一段时间内提高热力效率的重要发展方向。在常规能源中，人们已经预见到当地球上石油资源枯竭时，煤尚有丰富的储量，因此发展以煤为燃料的净化燃料的热力循环和热力过程已为发达国家高度重视，整体式煤气联合循环有重大应用前景。总之，热力循环的研究既推动了社会的发展，又对与之有关的科学技术提出了新课题，促进了科学技术的发展。

3.分析(www.xing528.com)

20世纪70年代初的能源危机，使人们认识到应从“质”和“量”的结合来评价能量“价值”。分析立即成为一些国家的热门研究课题。分析的出发点是克劳修斯当年提出的“能量转换中不可弥补的损失”，反映了人类对能的本性的更深刻的认识。近年来分析的发展又初步由系统分析向着系统综合过渡。

4.热经济学

提高能源利用率并不是一个单纯的技术问题，还受到经济决策等众多因素的约束，实施的方案必须是热力学的思想与经济学的现实相结合的产物，因而促成了热经济学的产生与发展。热经济学的中心问题是探讨损的热力学代价与经济代价之间相互联系的本质，提出热力学完善性与经济学完善性俱佳的可行性方案。根据所研究的具体内容及对象，原则上可分为“热经济学分析”、“热经济学优化”和“热经济学综合”三方面。

5.节能技术——总能系统

当前“节能”几乎成为经济管理部门的口头禅，甚至把“节能”称为“第五能源”。基于热力学第一定律的热平衡计算和技术经济的联合分析已不能全面、正确地做出中、长期决策，这就促使人们更加科学、更加综合地建立起总能系统的概念。总能系统大体上讲就是按照能量品位的高低进行梯阶利用，总的安排好功、热与物体热力学能等各种能量之间的配合关系与转换使用，在系统的高度上总体综合利用好各种能源，已取得有力的总效果，而不仅是着眼于提高单一的生产设备或工艺的能源利用率或其他性能指标。按照这个概念，联合循环、热电联产、余热利用、能源工厂等都可以列入这个范畴。

6.低温工程

低温工程是现代工业的重要组成部分，也是工程热力学研究与应用的领域。低温技术的进步又推动了工程热力学学科的发展。

7.边缘学科

由于各自然科学领域及各工程技术领域中都普遍存在热现象和能量转换与传输过程，加之热力学理论的概括性和普遍性，热力学与其他学科的结合形成了各种跨学科的知识领域，显示了热力学的强大生命力，并预示着广阔的发展和应用前景。例如，除了上面提到的热经济学外，还有化学热力学、溶液热力学、气体热力学、生物热力学、低温（超导）热力学等。

复习思考题

1.热力学的研究对象、任务和方法是什么？

2.什么叫工质，工质应具有的基本特性是什么？

3.热能与机械能在本质上的不同点是什么？

4.机械能转换为热能是否必须通过工质的膨胀才能实现？