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1、高等工程热力学,Advanced Engineering Thermodynamics 第一讲 引论,by Professor Liu Zhongliang,2,参考书目,蒋汉文，邱信立编著，热力学原理与应用，同济大学出版社，上海，1990年 苏长荪主编，高等工程热力学，高教出版社，北京，1987年 谢锐生著，热力学原理，人民教育出版社，北京，1981 H. D. 贝尔著，工程热力学理论基础与应用，科学出版社，北京，1983,by Professor Liu Zhongliang,3,参考书目,G. N. Hatsopoulos and J. H. Keenan, Principles of
2、General Thermodynamics, Robert E. Krieger Publishing Company, New York, 1981 M. W. Zemansky, Heat and Thermodynamics, McGraw-Hill Book Company, New York, 1968 Kenneth Wark, Thermodynamics, McGraw-Hill Book Company, New York, 1977 吴沛宜，马元编著，变质量系统热力学及其应用，高等教育出版社，北京，1983,by Professor Liu Zhongliang,4,参考
3、书目,赵广绪，R. A. 格林肯著，流体热力学平衡理论的导论，化学工业出版社，北京，1984 熊吟涛等编著，热力学，人民教育出版社，北京，1981 马本堃等编著，热力学与统计物理学，人民教育出版社，北京，1982 湛垦华，沈小峰编，普里高津与耗散结构理论，陕西科学技术出版社，西安，1982,by Professor Liu Zhongliang,5,参考书目,斯蒂芬霍金著，时间简史，湖北科学技术出版社，长沙，1995 彼得柯文尼，罗杰海菲尔德著, 时间之箭，湖北科学技术出版社，长沙，1995 杨思文等合编，高等工程热力学，高等教育出版社，重庆，1988,by Professor Liu Zho
4、ngliang,6,教与学,授课 阅读、自学 作业,by Professor Liu Zhongliang,7,by Professor Liu Zhongliang,8,习题、课外作业,by Professor Liu Zhongliang,9,本讲主要内容,热力学及其发展简史 发展简史：从伽利略到卡诺 什么是热力学 热力学与其它科学 热量与功量：热力学过程量 温度与热力学第0定律 状态参数与状态公理,by Professor Liu Zhongliang,10,1.1 热力学及其发展简史,1.1.1 发展简史 热力学的起源与温度计的研制密切相关 热力学的研究对象：热现象 热与温度的概念：密
5、切相关 源远流长 1600前后的Galileo时代 Galileo首先制造了“实用的温度计” 鸡蛋大小的玻璃容器 玻璃管,by Professor Liu Zhongliang,11,伽利略的温度计,Galileo and his thermometer 大气压的变化,by Professor Liu Zhongliang,12,温度与温度计,17世纪得到实质性改进 Jean Rey（法国人）： 液体膨胀球杆式温度计（一端没有封闭） 1640年：斐迪南II世（Grand Duke Ferdinand II) 闭杆式酒精温度计 这些温度计先后用于： 医学体温测量；农业孵化；大气室温 先辈：测量一
6、个没有确切定义的量 温度？,by Professor Liu Zhongliang,13,热量,对我们的先民而言： 同处于寒冷气候条件下的木块和金属块，为什么会有冷热不同的感觉？ 说明温度源于冷热感觉，又独立于冷热感觉 平衡的概念（冷热不同，是什么相同？温度） 冷热不同的物体相接触，最终达到相同的冷热程度： 温度是物体冷热变化的驱动力 物体之间交换的是什么？是温度吗？,对该问题的研究导致了热力学 第0定律的建立,对第二个问题的研究引出了科学史上一段传奇般的典故,by Professor Liu Zhongliang,14,量热学,1620年： Francis Bacon 第二个问题 1770年
7、： Joseph Black(英国人，Glasgow University) 实验证明：温度即不守恒，也不能被传递 创立了量热学（calorimetry） 在量热学过程中，存在着温度以外的量，该量在过程中守恒热质（heat caloric) 热质可以从第1个物体传递到第2个物体，然后再从第2个物体传递给第3个物体，而使第2个物体不变。,by Professor Liu Zhongliang,15,热质说(Caloric theory),基于Black的工作 当时人们没有意识到 Black过程中系统的功唯一地由过程的终态决定 定容过程或定压过程 在科学史上统治了近3/4个世纪 影响深远 概念错误
8、 直到1840年前后 建立了正确的热量的概念,“温度较高的物体把热量传递给与之接触的温度较低的另一物体”,冷热物体接触后，在它们之间会出现一个标明两物体间能量传递大小的量，即热流量。热流量的正方向是从高温物体指向低温物体！,by Professor Liu Zhongliang,16,热质说,热质 无处不在 不能被创生也不能被消灭 守恒的微妙流体 “权威的”表述 Edinburgh University，William Cleghorn， 1779年， 博士论文答辩 由5个要点构成,by Professor Liu Zhongliang,17,热质说,热质 是一种弹性流体，其粒子相互排斥 与普
9、通物质相互吸引 不同物质对热质粒子的吸引力不同 不同聚集态物质对热质粒子的吸引力也不同 守恒：不能被消灭，也不能被创生 可以显式的，也可以潜伏式的 有限重量,by Professor Liu Zhongliang,18,热质说,方法论上的缺陷 简单地、补补丁式地罗列出一系列必要假说以解释所观察到的现象，绝对不可能形成完全可靠的科学学说 热质说真正的“软肋” 摩擦生热现象 冷热程度相同的车轴和车轮，由于摩擦产生大量的热，使温度飞升，甚至起火 热质从哪里来呀？,by Professor Liu Zhongliang,19,热质说的终结者,热质说的挑战者： Count Rumford (175318
10、14),美国人,证明： 热质没有质量 摩擦不会改变金属的热容量 黄铜摩擦生热的能力无限大,by Professor Liu Zhongliang,20,热质说的终结者,摩擦生热 著名科学家的研究 James Prescott Joule 1818 1889 英国曼彻斯特人 能量守恒与转换定律的诞生,热力学早期历史： 温度与热量的概念,by Professor Liu Zhongliang,21,Not Even Wrong, by Peter Woit,The failure of superstring theory and the continue challenge to unify t
11、he laws of physics Developed from standard model of particle physics that could not answer all the key questions It is a theory that cannot be proven right or wrong Thousands of scientists worship it!,by Professor Liu Zhongliang,22,经典热力学的奠基者,Carnot 17961832 法国军事工程师 1824年：论火的动力及能够发展这种动力的机器 Carnot原理 循
12、环，热量，理想机器，可逆,Carnot给出的证明 热质守恒原理 第一类永动机之不可能 30年后Clausius解决了这一问题,by Professor Liu Zhongliang,23,经典热力学的奠基者,Carnot在他的手记中 提到了热功当量 他死后40年后才公布,by Professor Liu Zhongliang,24,经典热力学的奠基者,Mayer J R (1814-1878) 德国人，医生,建立了功热之间的关系 分析比热测量的实验数据 分析气体同一对等温线之间的差别 明确指出循环中热量是可以转化为功的与热质说完全相反的结论,by Professor Liu Zhonglian
13、g,25,经典热力学的奠基者,18401848期间,J P Joule 进行了系列热功转换实验，奠定了热力学第一定律的基础 测得了热功当量值 所设计的实验可以组成循环综合能力较差 彻底摒弃了热质说 错误地认为热是系统的一个特性参数 为Kelvin勋爵和Clausius的工作奠定了基础,by Professor Liu Zhongliang,26,经典热力学的奠基者,1849年Lord Kelvin 指出了Carnot原理的热质说基础与Joule结论之间的矛盾 呼吁进行实验,18241907，英国人 最受人尊重的科学家之一 曾经对居里夫妇给予了很大的帮助,by Professor Liu Zho
14、ngliang,27,经典热力学的奠基者,1850年 Clausius 成功解决了Carnot原理热质说基础与Joule和Mayer工作之间的矛盾 把Carnot原理作为一条不需证明的基本原理 证明：放弃热质说，不会导致任何新的矛盾 确切阐述了热力学两大基本定律 给出了第一定律的数学公式 引入了熵（Entropy）的概念 指出循环中功量与热量之间的正比关系,by Professor Liu Zhongliang,28,经典热力学的奠基者,Rudolf Julius Emanuel Clausius 18221888, 德国人 数学物理学家 热力学最重要的奠基人之一,对电解理论，分子动力学理论也
15、做出过重要贡献,by Professor Liu Zhongliang,29,经典热力学的奠基者,1851年Kelvin勋爵 强调了循环中功热比例关系的重要性 第二定律的建立归于Carnot和Clausius 给出了第二定律的另一种表述 提出了能量耗散原理 提出了通用温标（绝对温标，absolute temperature scale),by Professor Liu Zhongliang,30,模糊不清的概念热,Kelvin勋爵： 热是一种运动的模式（a mode of motion) Clausius： U自由热量内耗热（consumed heat） 储存热，储存功 J C Maxwel
16、l对Clausius模糊的概念提出了批评。不过他自己却说： Heat may therefore pass out of one body into another just as water may be poured from one vessel to another, and it may be retained in a body for any time,by Professor Liu Zhongliang,31,James Clerk Maxwell,1831-1879 19世纪最著名的科学家之一 苏格兰人 主要以对电磁学的杰出贡献而闻名 热力学并不是他最主要贡献的领域,by Professor Liu Zhongliang,32,经典热力学的奠基者,1897年 Max Planck 证明热力学第二定律与不可逆性之间有着密切的联系 给出了热力学第二定律的Planck表述： 不可能制造从单一热源吸热将之全部转化为正功的循环工作装置 第二类永动机之不可能原理 指出自然界中的任一自发过程的不可逆性就是热力学第二定律的一种表述,
