热力学
是研究
热现象
中,物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系,以及状态发生变化时,系统与外界相互作用的学科。 工程热力学是热力学最先发展的一个分支,它主要研究热能与
机械能
和其他能量之间相互转换的规律及其应用,是机械工程的重要
基础学科
之一。
工程热力学书籍
古代人类早就学会了取火和用火,不过后来才注意探究热、冷现象的实质。但直到17世纪末,人们还不能正确区分温度和热量这两个基本概念的本质。在当时流行的“
热质说
”统治下,人们误认为物体的温度高是由于储存的“热质”数量多。1709~1714年
华氏温标
和1742~1745年
摄氏温标
的建立,才使测温有了公认的标准。随后又发展了量热技术,为科学地观测热现象提供了测试手段,使热学走上了近代
实验科学
的道路。
1798年,
朗福德
观察到用钻头钻炮筒时,消耗机械
功
的结果使钻头和筒身都升温。1799年,英国人戴维用两块冰相互摩擦致使表面融化,这显然无法由“热质说”得到解释。1842年,迈尔提出了
能量守恒
理论,认定热是能的一种形式,可与
机械能
互相转化,并且从空气的定压比热容与定容比热容之差计算出
热功当量
。
英国物理学家焦耳于1840年建立电热
当量
的概念,1842年以后用不同方式实测了热功当量。1850年,焦耳的实验结果已使科学界彻底抛弃了“热质说”。公认能量守恒、能的形式可以互换的
热力学第一定律
为客观的
自然规律
。能量单位焦耳就是以他的名字命名的。
热力学
的形成与当时的生产实践迫切要求寻找合理的大型、高效
热机
有关。1824年,法国人卡诺提出著名的
卡诺定理
,指明工作在给定温度范围的热机所能达到的效率极限,这实质上已经建立起热力学第二定律。但受“热质说”的影响,他的
证明方法
还有错误。1848年,英国工程师开尔文根据卡诺定理制定了
热力学温标
。1850年和1851年,
德国
的克劳修斯和开尔文先后提出了
热力学第二定律
,并在此基础上重新证明了
卡诺定理
。
1850~1854年,克劳修斯根据卡诺定理提出并发展了熵的概念。
热力学第一定律
和
第二定律
的确认,对于两类“
永动机
”的不可能实现作出了科学的最后结论,正式形成了热现象的宏观理论热力学。同时也形成了“工程热力学”这门
技术科学
,它成为研究热机工作原理的理论基础,使
内燃机
、
汽轮机
、
燃气轮机
和喷气推进机等相继取得迅速进展。
与此同时,在应用热力学理论研究物质性质的过程中,还发展了热力学的数学理论,找到了反映物质各种性质的相应的
热力学函数
,研究了物质在相变、化学反应和溶液特性方面所遵循的各种规律 。1906年,德国的
能斯脱
在观察低温现象和化学反应中发现热定理;1912年,这个定理被修改成热力学第三定律的表述形式。
二十世纪初以来,对
超高压
、超高温
水蒸汽
等物性,和极低温度的研究不断获得新成果。随着对能源问题的重视,人们对与节能有关的复合循环、新型的复合工质的研究发生了很大兴趣。