工程热力学的发展现状

工程热力学的新发展

摘要 1 9 8 9年国家自然科学基金工程热力学发展战略研讨会在武汉举行。同年世界工程热力学年会首次由我国主持在北京举行。对促进国民经济特别是能源工程以及相关学科的发展产生了积极的影响。

我国在热力学签本理论、热力学近代发展及热力学应用研究方面，基本上跟上了世界发展的步伐。

一、学科内涵及拓宽

热力学是一门古老而又年轻的学科。

热力学在研究各种形式能量之间相互转换以及有关物质结构热物性规律方面属于理论基础学科。将热力学原理(理论热力学)与工程应用相结合形成的两个分支—工程热力学、传热学，属于应用基础学科。

热力学是一门具有普遍意义的学科，它建立在对客观世界的观察和正确概括上，因此它的逻辑结构使我们有可能预测客观世界的发展变化。热力学的这一特征和性质用著名科学家A l be rt E in stein在他的著作《P h i lo s op he rSeie n tist》一书中对经典热力学的概括和描述是极其恰当的，他这样写到:“一种理论，其前提愈简单，所涉及的事物愈多，其适应范围愈广泛，它给人们的印象就愈深刻。因此经典热力学给我们深刻的印象。它是仅有的具有普遍意义的物理理论。我确信在其基本概念所适应的范围内，它是绝对不会被推翻的”。

经典热力学起源于1 5 9 2年Ga川e o时代。工程热力学的早期历史可追朔到1 7 9 8年Co u n t Rum f o r d用著名的炮膛试验首次完成功转变为热的定量研究。V。M。Fair e s则认为中国古代火药的发明应作为人类研究与应用工程热力学的开端。

热力学的重要性在于它的实用性和适用的广泛性。工程热力学完全是结合人类的生产实践活动发展起来的。

目前工程热力学已从研究平衡体系和可逆过程发展到研究有时空变化的非平衡体系和不可逆过程，这一步的跨越不仅拓宽了经典热力学的研究范畴，而且与其它学科的交叉又形成了许多新的分支学科，如热物性学、热经济学、生物热力学、化学热力学、环境热力学等等。

在应用上，目前工程热力学的研究主要集中在热力循环、总能系统的节能技术和能源管理(如烟分析和热经济学分析)等方面，与其它学科交叉也有许多新领域方面的研究。

二、战略地位及国内外发展现状

历史经验说明，每一次新型动力机械及其热力循环的出现，都会促进生产水平、社会进步和科学技术的飞跃发展。蒸汽机的出现带动了第一次产业革命与资本主义成长，也促进了各种科学的发展。往复式内燃机、蒸汽机以及与之相应的奥托循环、狄塞尔循环、朗肯循环的出现和发展为上世纪末本世纪初开始的机械化电气化的现代文明社会创造了条件;相应地，与之有关的工程热力学各分支和由其所带动的许多学科也都蓬勃发展起来。本世纪中叶开始，燃气轮机、喷气发动机、火箭及布雷敦循环等的发展，则为高速航空与宇航年代奠定了基础，并为工程热力学的开拓提供了条件。

在军事系统和航天技术中，发动机、火箭动力、舰艇动力以及为“星球大战”而发展的各项新技术也促进了工程热力学的研究。此外，各种类型的炉，如冶金炉、燃料炉、建材窑炉、石油化工炉等装置;核反应堆各种换热器、制冷设备、气体分离、液化设备、热泵、空调、通风、供热等工业与民用装置;各种能源系统，如燃料电池、热电与热离子装置、磁流体发电、太阳能、地热能、海洋能以及风能等的利用都是工程热力学不断开拓与应用的结果。当今热力学还涉及到生物医学领域，如生命维持系统、人造器官等。

我国工业的很多领域面临着世界新技术发展的严峻挑战，国家把调整企业结构和提高经济效益作为推动技术进步的根本出发点。节能降耗是一个重大课题。能源是现代人类社会生存和发展的必要条件。有前地球上常规能源的限度迫使人类应用工程热力学和其它工程学科如传热传质学、燃料学、化学动力学、流体力学等，研究能源的有效转换与合理使用，指导热力过程的工程设计。结合社会科学和人文科学的需要与制约，尽可能地提供能源资源和物质资源，促进人类的发展与进步。

经济的迅速发展和人口的不断增加，当前潜在的能源危机和生态危机笼罩着整个地球。如果与能源生产和消费有关的技术没有根本的变革或提高，温室效应

得不到有效控制，臭氧层的减少和热障不消除，会给人类带来巨大的灾难。因此许多科学家呼吁:现在已经到了通盘解决能源、环境与经济问题的时候了。

从战略发展的高度考虑，工程热力学的理论研究与应用必将在能源、社会、经济与环境综合的大体系中求得新的拓宽与发展。

热力学基本原理和热力循环

热力学的几个基本定律奠定了经典热力学的基础并指导着工程实践应用。但是经典热力学是以平衡态和可逆过程为模式研究能量转换规律。在自然界中还大量存在着非平一4 1一衡态和不可逆过程，要用经典热力学的概念和方法进行研究。早期有h。O n s a g e r于1 9 3 1年发表的“线性热力学”和M u l l er 的“扩展不可逆热力学”。大约到六十年代，线性不可逆热力学理论的创建工作才算完成。由于这一开拓性的成就翁萨格荣获了1 9 6 8年的诺贝尔化学奖。稍后P r i gog in e所领导的比利时布鲁塞尔学派发展了著名的“耗散结构理论”，把不可逆过程热力学研究推向了又一个高峰，并荣膺1 9 7 8年诺贝尔奖。

热力学理论发展的一个重要方面是热力过程在非平衡体系。(空间上的不均匀性)不可逆过程的性质，涉及时间上的演化问题，从而提出了“有限时间热力学”。它推出了比可逆界限更接近于实际的性能从而得出过程变化的最佳效果。有限时间热力学的提出还只有2 0年的历史，它将与不可逆过程热力学相辅相成。

在研究方法上，统计热力学理论促进了热离子、热电现象等一类能量直接转换的新方式的近代发展，也促进了对工质热物理性质本质的认识。热动力学理论也是建立在分析微观粒子群统计性质的基础上，它的独立途径属于对粒子间相互作用作动力理论研究，推导出与过程速率有关的迁移性质(如粘度、热传导性、扩散系数)。信息论作为微观方法在热力学中的应用也开始有所发展。

在工程热力学与动力机械的发展史上，热力循环与动力机械理论是在不断地产生新循环、新工质、新设想的相互带动之下逐步完善的。例如，纯喷气循环发动机发展为内外涵循环发动机，大大降低了耗油率，促使高速民航机的飞快发展;此热力循环加力后又适应军用飞机的需要;目前又朝着组合的变循环发展。热力循环理论研究即能推动社会生产力的发展，又对相应的科学技术提出新的课题。