第1章工程热力学的基本概念
　　本章介绍工程热力学的有关基本概念，主要包括热力学体系、热力学状态与状态参数、基本状态参数、完全气体状态方程、热力过程和热力循环的概念、内能、焓和熵的概念、完全气体的比热容等。
　　学习要点：
　　（1）理解热力学体系的定义，掌握描述气体状态的状态参数；
　　（2）掌握完全气体状态方程，会用状态方程建模求解问题；
　　（3）理解可逆过程的含义，掌握内能、焓和熵的定义。
　　1.1概述
　　人类对自然界能源的利用，促进了社会的进步和发展。随着社会生产力和科学技术的发展，人类对能源的需求不断地增长，合理利用能源的水平也在不断地提高。如今，能源开发利用的程度及水平，已经成为衡量社会物质文明和科技进步的重要标志。
　　能量是人类一切活动的基础，人类一刻也离不开能量。能量也是物质运动的度量，由于物质运动的形式不同，能量有不同形式。例如，宏观物体包括流体定向流动所具有的机械能，分子运动所具有的热能，自由电子有序定向运动产生的电能，约束在分子内形成化学键的电子运动的化学能，等等。自然界中可大量产生动力的能源有风能、水能、太阳能、地热能、燃料化学能、原子能等。目前利用得最多的仍是燃料（石油、煤、天然气等）的化学能，而这些化学能一般是要通过热能才能转化为其他形式的能来利用，而各种形式的能在利用之后都要转为热能，所以热能是能源利用的基础和归宿。
　　在上述各种能源中，除风能和水能可以直接向人们提供机械能外，其他的各种能源往往只能直接或间接地提供热能。机械能是工程中应用最多的能量形式，绝大多数的能量最终都体现到机械能上，如机器运转、汽车前进、飞机与火箭飞行等都是依赖于机械运动。人们虽可以直接利用热能为生产和生活服务，但热能却更多作为大多数能量转换都必须经过的环节，更大量的还是通过热力机械装置（简称为热机）使这些热能部分地转变为机械能，比如汽车前进、飞机与火箭飞行等的机械运动都是通过发动机由燃料燃烧的热能转换来的。此外，机器运转虽然可以用电机驱动，但大多数电能也是通过火力发电即热能这个环节的，只有很小比例的电能可以不通过热能得到，如水力发电、太阳能电池、风力发电、潮汐能发电等。因此，对热能的性质及其转换规律开展研究，具有十分重要的意义。
　　1.1.1热力学的发展简况
　　为了掌握热能与其他形式能量相互转化的规律，使热能转化机械能及电能的效率更高，诞生了热力学。因此，热力学的基本任务是研究能量转换以及与转换有关的热物性之间的相互关系。从人类对自然的认知来看，人们对自然法则、客观规律以及事物属性的认识能力和水平，都受到一定的历史条件的影响和制约，是随着生产力提高、科技进步及社会发展而发展的。同样，人们对热的本质及现象的认识，也经历了一个漫长的、曲折的探索过程。
　　1. 对热的认识
　　在古代，人们就知道热与冷的差别，能够利用摩擦生热、燃烧、传热、爆炸等热现象，来达到一定的目的。例如，中国古代燧人氏的钻木取火、炼丹术和炼金术、火药的发明，以及早期的爆竹、走马灯等。又如，在古希腊就有“火、土、水、气组成世界”的四元素学说，这与我国春秋战国时期提出“水、火、金、木、土为万物之本”的五行学说是类似的。18世纪以前，这类“热质说”，即认为热也是一种物质组成元素的说法，是占据主导地位的。与之相对立，当时在古希腊也存在着另一种根据摩擦生热的现象而提出来的学说，即热的运动说或能量说。它认为火是一种运动的表现形式，但这一学说被埋没了约二千年之久，到17世纪，当实验科学开始发展后，得到了一些哲学家和科学家的支持，例如培根（Francis Bacon，1561～1626）就根据摩擦生热现象认为热是物体微小粒子的运动。因当时科学发展落后，这两个学说到底哪一个是正确的，暂时还不能作出论断。总的来说，人们对热现象的重视由来已久，但因当时生产力的低下，这一时期人们对热现象还没有任何实质性的解释。
　　温度的定量测定，对于热现象的研究是至关重要的。在17世纪，虽然有些科学家对温度的测定及温标的建立，做出了不同程度的贡献，提供了有益的经验和教训。但是，由于没有共同的测温基准，没有一致的分度规则，缺乏测温物质的测温特性资料，以及没有正确的理论指导，因此，在整个17世纪中，并没有制作出复现性好、可供正确测量的温度计及温标。在18世纪，“测温学”有较大的突破。其中最有价值的是，1714年华伦海特（Gabriel Daniel Farenheit，1686～1736）所建立的华氏温标，以及1742年摄尔修斯（Antlers Celsius，1701～1744）所建立的摄氏温标（即百分温标）。18世纪，勃拉克借助于温度计的使用，把热量和温度这两个基本概念做出明确的区分。但是上述工作并没有解决热的本质是什么的疑问。随着热学的发展，人们开始提出热的本质是什么。关于这个问题，历来有两种不同的观点。
　　一种是热的物质说，另一种是热的运动说。主张热的运动说的人认为，热是物质粒子的运动；主张热质说的人则认为，热是一种特殊形态的没有重量的“物质”，当热质进入物质后物体会变热。当时人们对自然的认识还是“实物粒子”的图景，因此热质说很容易被人们接受。
　　俄国的罗蒙诺索夫（1711～1765）在1744～1747年间讨论冷热原因的论文中，比较详细地阐述了热的运动学说，认为热是分子运动的表现。1798年，拉姆福德（Count Rumford，原名Benjamin Thompson，1753～1814）通过著名的炮筒镗孔摩擦生热的实验，用实验结果直接驳斥了“热质说”。同年他发表了一篇论文，说明制造枪炮时能不断地产生温度很高的切削碎片，表明热能够不断地产生出来，或者说热可以从机械能转化得到。他还把金属浸在水中钻孔，机械摩擦产生的热可以使水沸腾。因此他认为热不可能是一种热质而只能是一种运动。1799年，戴维（Humphrey Davy，1778～1829）进一步用实验支持热的运动说。他的冰块摩擦融化实验无法用热质说进行解释，从而有力地批驳了热质说。
　　热运动说和热质说这两种观点经历了相互更替的曲折的历史演变，热究竟是在各个物体之间流动的一种不可摧毁的物质，还是微观运动的一种表现形式。直到19世纪中叶，焦耳计算出热功当量的数值并公布了他的研究结果，此时能量守恒定律才得以真正确立。相应地，热质说也就完全退出了科学的历史舞台。这时关于热的本质才得出了明确的具体的结论： 热是微观运动和能量的一种表现形式，并且和能量的其他形式之间可以相互转化。
　　2. 热力学基本定律的建立
　　早在1842年初，格罗夫（William Robert Grove，1811～1896）就已经从基本的自然现象及其相互作用中，清楚地认识到它们之间转化和守恒的关系，并独立提出存在“当量”关系。只是他预见到建立当量关系在实验上存在的巨大困难，因此他并未找出其定量的数值。丹麦工程师科尔丁（Ludwig August Colding，1815～1888）受到奥斯特的电转化为磁实验的启发，对机械功与热的相互转化问题进行测量与计算。1843年他向哥本哈根科学院提交了一份实验报告，阐述了他的能量转化守恒思想，并演示了测定热功当量的实验。他的能量守恒思想比起同时代的其他研究者来说，带有幻想色彩。
　　上面提到的这些能量守恒定律的早期探索者大多是由于主客观条件的限制，从各种基本自然现象及其相互关系的定性观察和思考中，发展了能量守恒思想。他们之中，也曾有人做过个别的单项实验，有的则是运用已有的发现进行推理和计算，但都没有得出比较明确的具体的结果，只能说是各自孤立地做过一些有益的尝试与探索。因此，他们的工作可以说是对于能量守恒定律的发现铺垫道路。对于能量守恒定律做出关键性贡献的人是迈尔与焦耳。
　　迈尔（Julius Robert Mayer，1814～1878）首次发表论文阐述了能量守恒定律的内容，他的论文的主导思想是： 果必有因，因必有果，因与果是等当的。但是他的论文当时并没有引起物理学界的重视。能量守恒定律得到物理学界公认是在焦耳（James Prescott Joule，1818～1889）的实验工作发表以后。焦耳在证明热功当量的工作过程中，做过多种实验。他的各种精确实验结果的一致性，给予能量转化和守恒定律以无可辩驳的坚实基础，这个时候可以认为热力学第一定律已经完全建立了。但是，关于热力学第一定律的解析式，是1850年由克劳修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius，1822～1888）给出的，由此建立了热量、功和内能之间的关系式。
　　18世纪下半叶，瓦特（James Watt，1736～1819）改进了蒸汽机，推进蒸汽机为代表的热机在工业上广泛使用，促进了工业的发展，同时推动了整个欧洲的工业革命。工业界对热机效率改进的追求也浮出水面。在这种大背景下，研究热机最大效率的工作已经显得十分必要了。1824年，卡诺（Sadi Carnot，1796～1832）发表了他一生中唯一的一篇不朽的著作《关于热动力以及热动力机的考察》，系统地探讨了热机工作的本质，在理论上阐明了提高热机效率的根本途径，提出了卡诺定理。指出了热功转换的条件及热效率的最高理论限度，为热力学第二定律的建立奠定了基础。
　　卡诺去世后第二年，克拉珀龙（B. P. E. Clapeyron，1799～1864）发现并阅读了卡诺的著作，认识到这一工作的重要性。1834年克拉珀龙发表了《关于热动力备忘录》，转述并总结了卡诺的主要工作，并对卡诺循环进行了描述。克拉珀龙的工作后来被开尔文（Lord Kelvin，原名William Thomson， 1824～1907）加以发展。1850年克劳修斯在克拉珀龙和开尔文工作的基础上，把卡诺循环推广到任意循环过程，并建立了克劳修斯不等式，提出了熵的概念。克劳修斯和开尔文分别在1850年和1851年发表了各自对热力学第二定律的表述，至此，热力学第二定律已经基本建立了。热力学第一定律和热力学第二定律奠定了热力学的理论基础。
　　3. 热力学的研究方法
　　从发展历史也可以看出，热力学是众多科学家、学者智慧的结晶，是热现象的宏观理论。它把物质看作连续体，以宏观的物理量来描述大量粒子的群体行为，并用宏观的唯象方法进行研究。热力学的基础是由大量实验事实总结出来的基本定律，并用严密的逻辑推理及数学论证的方法进一步演绎出热力学的一系列重要结论。因此，热力学理论具有高度的普遍性和可靠性。一方面，其普遍性在于对任何物质系统都适用，不论是气体、液体、固体乃至于辐射场，也不论物质的化学性质如何，它的宏观热性质都遵守热力学的规律，都可用热力学的方法进行研究。另一方面，其可靠性表现在它所得出的结果都能与实验相符。
　　然而，由于不涉及物质的微观结构和微观粒子的运动情况，热力学理论也有一定的局限性，主要体现为两个方面。一是对具体物质的某些特性不能提供其理论，例如，并不能从热力学理论导出物质的物态方程，也不能导出物质的比热容公式，而是只能由实验来确定，因此对这些性质的本质不能做出深刻的阐述。二是由于物质的宏观性质是微观粒子运动的平均性质，所以对于涨落现象及其规律就完全无能为力。
　　因此，统计热力学或统计物理学在19世纪末从气体动理论的基础上发展起来，其中特别是玻尔兹曼（Ludwig Edward Boltzmann，1844～1906）和吉布斯（Josiah Willard Gibbs，1839～1903）的努力促进了这一发展。统计热力学从物质的微观结构出发，根据有关物质内部微观结构的基本假设，利用量子力学关于微粒运动规律的有关结论以及统计力学的分析方法，来研究物质的热力性质和能量转换的客观规律。由于统计热力学深入到物质内部的微观结构，它可以说明宏观物理量的微观机理，也能够说明热力学基本定律及宏观热力现象的物理本质。但是，由于对微观结构的假设条件的近似性，使统计热