热力学：热运动的宏观规律与热机的工作原理

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：热力学是热运动的宏观理论，它主要讨论热现象的基本规律，其特点是以实验事实为依据，不考虑物质的微观结构。在热机中，有的热机中流体是在封闭的管道中循环，如核反应动力装置中的循环流体；而有的热机则以大气为冷凝器，管道是开放的，如内燃机等。起初人们误认为布朗运动是由外界影响引起的。因此，组成物质的分子，在永恒地做无规则运动，是物质系统热运动的微观实质。分子无规则运动的剧烈程度，随温度升高而增强。

热力学是热运动的宏观理论，它主要讨论热现象的基本规律，其特点是以实验事实为依据，不考虑物质的微观结构。自从18世纪发明蒸汽机，19世纪上半叶建立能量守恒定律以来，人们便致力于热能转变为功的理论探讨，并研制成多种热机。因此，热力学理论具有唯象性、可靠性和普适性。

1.热机

所谓热机，是指能够将储存于燃料中的能量释放出来，并转化为有用功的机器。如火力发电厂中的动力机器，但它主要使用矿物燃料，直到20世纪末才辅之以核燃料，如广东大亚湾核电站等。

热机是在热力学的基础上研制出来的，因此，在研究热机时应注意以下两点：

1）热不仅有一定的量（热力学第一定律），还有一定的质（热力学第二定律、熵的概念）。因此，在热机中，热功转变时，如果也考虑到热量的质的方面，传给系统热量的差值是不一定会得到功的。

2）仅从一个热源吸热能完全变为有用功是不能实现的，必须在做功时废弃一部分热能，并使废弃的热能在质上降低了，因而废弃的热能所在处（也是一个物质系统）叫做低温热源，在热机中叫做冷凝器。但废弃的热能对于温度比它低的系统仍是相对高的热源。

因此，热机的效率一般是

2.热机的主要部分

热机的种类较多，如汽轮机、蒸汽机、内燃机、燃气轮机、喷气机等，它们的作用都是将热能变为功。但它们的基本组成都可能分为四个基本部分。如汽轮机的构成就主要是

1）加热器，它在以蒸汽为工作物质的热机里叫做锅炉，其中装水或其他流体，由燃料燃烧、其他供热装置或原子核反应从外部加热。

2）膨胀做功的部分，就是气缸或汽轮机。在汽轮机里蒸汽冲击汽轮机叶片带动汽轮机轴对外做功。

3）冷凝器，使流体在其中冷却向外界放热。在汽轮机的冷凝器中，蒸汽将凝为水。冷凝器从外部冷却，一般用循环水带去废热，使水本身变热。

4）压缩机，在汽轮机里就是馈水装置，即水泵，它将冷却后的流体重新送入加热器里。压缩机所需动力由汽轮机轴供应，因此，它消耗的功必须小于汽轮机的功。即扣除压缩机所需功后，才是热机的功。

在热机中，有的热机中流体是在封闭的管道中循环，如核反应动力装置中的循环流体；而有的热机则以大气为冷凝器，管道是开放的，如内燃机等。

3.分子运动论的实验基础

在热力学系统中，热现象为什么会有一些规律？它与机械运动的本质有何区别？它与物质的内部结构又有什么关系？要回答这些问题，就要讨论物质的微观结构，建立统计物理学的初步理论（即分子运动论），以揭示宏观热现象的微观本质，并与宏观理论相印证。

（1）物质由分子构成

自从公元前古希腊思想家提出物质是由原子组成的假说以来，这种朴素的设想一直未能得到验证和发展。直到17世纪以后，许多科学家在观察和实验的基础上，才发展了初期的原子论，特别是18世纪末，普鲁斯特（1754—1826）总结了化学反应中的大量事实，得出定比定律。19世纪初，道尔顿又得出倍比定律，并引入元素的相对原子量，提出了最早的原子量表，建立起科学的原子论，指出物质是由分子组成的，而分子又是由原子组成的。直到缪勒发明了场离子显微镜，人们才能够直接看到原子和分子，且原子或分子间还有空隙。常见的物体被压缩或拉伸，就是分子间的距离变化的结果。如气体的体积变化就是未被分子占据的空间发生的变化。

在热力学系统中，热膨胀现象清楚地表明了分子之间的距离是随湿度变化的。如水在一个大气压下沸腾时，水分子之间的平均距离增大10倍以上，其水蒸气的体积比水的体积增大1670倍。

（2）分子作永恒的无规则运动

在自然界中，人们总会发现一些扩散现象，如蓝色墨水滴入清水后，会使清水逐渐全部变蓝等。但扩散现象是如何产生的，直到1827年，布朗在显微镜下观察到悬浮在液体中的花粉微粒不停息地作混乱运动后，人们才逐渐认识到扩散是分子无规则运动产生的结果。此后，将布朗观察到的悬浮微粒称为布朗粒子，其混乱运动就称为布朗运动。

起初人们误认为布朗运动是由外界影响引起的。但后来的实验证明：布朗运动的存在与外界影响无关，并发现布朗粒子越小，布朗运动越显著；液体的温度越高，运动越剧烈，与构成微粒的物质性质无关。直到1912年贝林（1870—1942）仔细地观察并记录了布朗粒子运动的径迹，才发现布朗粒子是处在大量分子的包围中，分子做无规则运动，不断地撞击布朗粒子，且在任一短小的时间内，从不同方向上碰撞布朗粒子的分子数目不同，每个分子作用于布朗粒子的冲击力也不同，因而使得布朗粒子受力不平衡，同时在冲击力的合力方向上产生加速度，改变了粒子运动的方向和快慢。由于这种不平衡的冲击力的合力不断变化，就产生了布朗运动。

因此，组成物质的分子，在永恒地做无规则运动，是物质系统热运动的微观实质。分子无规则运动的剧烈程度，随温度升高而增强。分子之间不仅有引力作用，同时还有斥力作用。如固体被拉伸或压缩时产生的弹性力，就是分子间的引力和斥力的宏观表现。

根据大量的实验和推理，可将物质的微观结构归纳为以下三个基本点：

1）宏观物体都是由数目极大的微粒——分子组成的，宏观物体的体积还应包含分子间的空隙。

2）组成宏观物体的分子都在永不停息地做无规则运动。物体的温度越高，分子无规则运动越激烈。

3）分子之间存在相互作用力，这种作用力相对于点电荷间的库仑力而言要弱得多，作用范围也小得多。

热力学：热运动的宏观规律与热机的工作原理

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