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熱學(xué)（heat）是物理學(xué)的一個(gè)分支，主要研究物質(zhì)熱運(yùn)動的規(guī)律及其對物質(zhì)宏觀性質(zhì)的影響，以及與物質(zhì)其他運(yùn)動形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律，它起源于人類對冷熱現(xiàn)象的探索。

熱學(xué)理論有兩個(gè)方面，一是宏觀理論，即熱力學(xué)；二是微觀理論，即統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。它們從不同角度研究熱運(yùn)動，這兩個(gè)方面相輔相成，構(gòu)成了熱學(xué)的理論基礎(chǔ)。熱力學(xué)主要從能量轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)來研究物質(zhì)的熱性質(zhì)，它揭示了能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式時(shí)遵從的宏觀規(guī)律，不涉及物質(zhì)結(jié)構(gòu)和微觀粒子的相互作用。統(tǒng)計(jì)物理學(xué)(又稱氣體動理論)從微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，以每個(gè)粒子遵循的力學(xué)規(guī)律為基礎(chǔ)，用概率統(tǒng)計(jì)的方法導(dǎo)出由大量粒子組成的宏觀物體的物理性質(zhì)及宏觀規(guī)律。

熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)目前廣泛應(yīng)用于熱力工程學(xué)、化工學(xué)、氣象學(xué)、材料科學(xué)、航天工程、生物工程等尖端科學(xué)技術(shù)中，成為當(dāng)前物理學(xué)中最活躍的前沿之一。

發(fā)展

發(fā)展歷史

對中國芮城縣西候度舊石器時(shí)代遺址的考古研究，說明大約180萬年前人類已開始使用火；約在公元前二千年中國已有氣溫反常的記載；在公元前，東西方都出現(xiàn)了熱學(xué)領(lǐng)域的早期學(xué)說，中國戰(zhàn)國時(shí)代的鄒衍創(chuàng)立了五行學(xué)說，他把水、火、木、金、土稱為五行，認(rèn)為這是萬事萬物的根本，古希臘時(shí)期，赫拉克利特提出：火、水、土、氣是自然界的四種獨(dú)立元素，這些都是人們對自然界的早期認(rèn)識。

18世紀(jì)以前，人們對熱的本質(zhì)和溫度的概念還只有一些不成熟的想法，甚至連“溫度”與“熱量”都難區(qū)分開來。自18世紀(jì)初開始，正是測溫技術(shù)和量熱技術(shù)的逐步發(fā)展使熱學(xué)走上了定量科學(xué)的軌道。

1714年，華倫海特改良水銀溫度計(jì)，定出華氏溫標(biāo)，建立了溫度測量的一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn)，使熱學(xué)走上了實(shí)驗(yàn)科學(xué)的道路。

歷史上對熱的認(rèn)識，出現(xiàn)過兩種對立的觀點(diǎn)。18世紀(jì)出現(xiàn)過熱質(zhì)說，把熱看成是一種不生不滅的流質(zhì)，一個(gè)物體含有的熱質(zhì)多，就具有較高的溫度。與此相對立的是把熱看成物質(zhì)的一種運(yùn)動的形式的觀點(diǎn)，俄國科學(xué)家米哈伊爾·羅蒙諾索夫指出熱是分子運(yùn)動的表現(xiàn)。

針對熱質(zhì)說不能解釋摩擦生熱的困難，許多科學(xué)家進(jìn)行了各種摩擦生熱的實(shí)驗(yàn)，特別是本杰明·湯普森的實(shí)驗(yàn)，他用鈍鉆頭鉆炮筒，因鉆頭與炮筒內(nèi)壁摩擦，在幾乎沒產(chǎn)生碎屑的情況下使水沸騰。1840年以后，焦耳做了一系列的實(shí)驗(yàn)，證明熱是同大量分子的無規(guī)則運(yùn)動相聯(lián)系的。焦耳的實(shí)驗(yàn)以精確的數(shù)據(jù)證實(shí)了邁爾熱功當(dāng)量概念的正確性，使人們棄了熱質(zhì)說，并為能量守恒定律奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。與此同時(shí)，熱學(xué)的兩類實(shí)驗(yàn)技術(shù)——測溫術(shù)和量熱術(shù)也得到了發(fā)展。

1840年3月27日，赫斯提出：“當(dāng)組成任何一種化學(xué)化合物時(shí)，往往會同時(shí)放出熱量，這熱量不取決于化合是直接進(jìn)行還是經(jīng)過幾道反應(yīng)間接進(jìn)行。”以后他把這條定律廣泛應(yīng)用于他的熱化學(xué)研究中。赫斯的這一發(fā)現(xiàn)第一次反映了熱力學(xué)第一定律的基本原理：熱和功的總量與過程途徑無關(guān)，只取決于體系的始末狀態(tài)；體現(xiàn)了系統(tǒng)的內(nèi)能的基本性質(zhì)——與過程無關(guān)。赫斯的定律不僅反映了守恒的思想，也包括了“力”的轉(zhuǎn)變思想。至此，能量轉(zhuǎn)化與守恒定律已初步形成。

1847年，英國自然哲學(xué)家詹姆斯·普利斯科特·尤勒通過認(rèn)真測算已知的功產(chǎn)生的熱的數(shù)量，提出了熱力學(xué)第一定律。

1850年前后，物理學(xué)界普遍認(rèn)識到了熱現(xiàn)象和分子運(yùn)動的聯(lián)系，但微觀結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動的物理圖像仍是模糊或未知的。憑借著對分子運(yùn)動的假設(shè)和運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法，魯?shù)婪颉た藙谛匏?/a>正確地導(dǎo)出了氣體實(shí)驗(yàn)公式。另外，詹姆斯·麥克斯韋和路德維希·玻爾茲曼在研究分子分布規(guī)律和平衡態(tài)方面也做出了卓有成效的工作。后來約西亞·吉布斯把玻耳茲曼和麥克斯韋所創(chuàng)立的統(tǒng)計(jì)方法推廣而發(fā)展成為系統(tǒng)的理論，將平衡態(tài)和漲落現(xiàn)象統(tǒng)一起來并結(jié)合分子動理論一起構(gòu)成統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。

19世紀(jì)初，蒸汽機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，迫切需要研究熱和功的關(guān)系，對蒸汽機(jī)“出力”作出理論上的分析，由此熱與機(jī)械功的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系得到了廣泛的研究。埃瓦特(Peter Ewart)對煤燃燒所產(chǎn)生的熱量和由此提供的“機(jī)械動力”之間的關(guān)系作了研究，并建立了兩者之間的定量聯(lián)系。

1900年歐洲物理年會上，英國物理學(xué)家開爾文發(fā)表過一段非常著名的講話，其中他不僅講道“19世紀(jì)已將物理學(xué)大廈全部建成今后物理學(xué)家的任務(wù)就是修飾完善這座大廈了”，而且又講道“在物理學(xué)的天空中幾乎一片晴朗，只存在兩朵烏云”。他所指的兩朵烏云其實(shí)就是邁克爾遜-莫雷測量“以太風(fēng)”實(shí)驗(yàn)和測量黑體輻射實(shí)驗(yàn)中用現(xiàn)有的經(jīng)典物理無法解釋。后來對“以太風(fēng)”的測量的研究和阿爾伯特·愛因斯坦狹義相對論的建立，揭示了經(jīng)典艾薩克·牛頓時(shí)空觀的嚴(yán)重缺陷；而對黑體輻射能譜分布規(guī)律的研究及對熱容量的研究，揭示了經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理學(xué)理論的重大缺陷，發(fā)現(xiàn)了微觀運(yùn)動的新特性。1900年馬克斯·普朗克提出了能量量子化的假設(shè)，用這種假設(shè)成功地揭示了黑體輻射問題。與量子力學(xué)的有機(jī)結(jié)合使經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理學(xué)發(fā)展成為量子統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。

1912年，能斯脫提出熱力學(xué)第三定律后，人們對熱的本質(zhì)才有了正確的認(rèn)識，并逐步建立起熱學(xué)的科學(xué)理論。

二十世紀(jì)五十年代以后，非平衡態(tài)熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)得到迅速發(fā)展，其代表人物是比利時(shí)物理學(xué)家普里高金。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仍在繼續(xù)推動著熱力學(xué)的發(fā)展。例如，傳統(tǒng)的熱力學(xué)常把討論限于無生命情形，然而在生命體中，熱運(yùn)動也是一種基本的運(yùn)動形式，熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律依舊適用；超快過程和超熱技術(shù)的發(fā)展，使非平衡性和非線性的影響加劇，對非平衡熱力學(xué)的研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

研究對象

熱學(xué)是研究物質(zhì)熱現(xiàn)象、熱運(yùn)動規(guī)律以及熱運(yùn)動同其它運(yùn)動形式之間轉(zhuǎn)化規(guī)律的一門學(xué)科。它所涉及的現(xiàn)象非常廣泛，例如物體的熱脹冷縮，摩擦生熱，氣體、固體、液體與溫度有關(guān)的物理性質(zhì)及其相互轉(zhuǎn)化等。

可以從宏觀和微觀兩個(gè)不同角度對熱現(xiàn)象、熱運(yùn)動進(jìn)行研究，分別對應(yīng)于熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。

熱力學(xué)是宏觀理論，它是在概括大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上，通過邏輯推理和演繹，歸納總結(jié)出關(guān)于物質(zhì)各種宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系、宏觀過程進(jìn)行的方向和限制等的規(guī)律，因而熱力學(xué)理論是非常普遍和可靠的。從這個(gè)意義來說，熱力學(xué)是無經(jīng)典和現(xiàn)代之分的。熱力學(xué)方法自然也有它的不足之處，除不能在理論上給出特定物質(zhì)具體特性的知識外，它沒有考慮物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)對宏觀性質(zhì)的作用，而是把物質(zhì)作為宏觀的連續(xù)體，把物質(zhì)的性質(zhì)用確定的連續(xù)函數(shù)來表示。事實(shí)上，物質(zhì)是由大數(shù)微觀粒子構(gòu)成的，宏觀性質(zhì)是微觀性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)平均，會表現(xiàn)出圍繞平均值的漲落現(xiàn)象。熱力學(xué)承認(rèn)這是客觀事實(shí)，但并不企圖給予解釋。

統(tǒng)計(jì)方法從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，認(rèn)為一個(gè)系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)是大數(shù)粒子無規(guī)則熱運(yùn)動的平均結(jié)果；從研究每個(gè)粒子所遵循的力學(xué)規(guī)律出發(fā)，用統(tǒng)計(jì)方法研究宏觀物體的熱現(xiàn)象。

在熱現(xiàn)象的研究中，熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)是相輔相成的。對于任何熱力學(xué)系統(tǒng)，微觀量和宏觀量必定是有聯(lián)系的，因?yàn)樗鼈兪窃诿枋鐾晃锢憩F(xiàn)象的兩種不同方法中所使用的量。熱力學(xué)為統(tǒng)計(jì)物理學(xué)提供了大量實(shí)驗(yàn)依據(jù)，從而可以驗(yàn)證微觀理論的正確性；統(tǒng)計(jì)物理學(xué)為熱力學(xué)提供微觀理論，從而可以深入到熱現(xiàn)象的本質(zhì)。

熱學(xué)過程與循環(huán)

等容過程（IsochoricProcess）

設(shè)密閉的容器中裝有一定量的理想氣體，物質(zhì)的量為。系統(tǒng)經(jīng)一準(zhǔn)靜態(tài)等容過程從狀態(tài)()變化到狀態(tài)，如下圖所示。由于該過程中體積始終保持不變，因此該過程對應(yīng)的曲線是一條平行于p軸的直線，叫等容線。該過程中任一狀態(tài)參量滿足過程方程：

或

其中，和為兩個(gè)常量，可由過程中某一已知狀態(tài)參量確定。在等容過程中，，所以系統(tǒng)做功：

由熱力學(xué)第一定律可知，系統(tǒng)所吸收的熱量等于內(nèi)能的增量。假設(shè)系統(tǒng)的定容摩爾熱容為常量，則可得

系統(tǒng)從外界吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能。

等壓過程（IsobaricProcess）

設(shè)一定質(zhì)量的理想氣體系統(tǒng)，物質(zhì)的量為，經(jīng)一準(zhǔn)靜態(tài)等壓過程從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，如下圖所示。由于壓強(qiáng)恒定，因此等壓過程的曲線是一條平行于V軸的直線，稱為等壓線，對應(yīng)的過程方程為

或

在等壓過程中，是常量，所以系統(tǒng)對外界所做的功：

由于內(nèi)能是狀態(tài)量，且理想氣體的內(nèi)能只是溫度的函數(shù)，所以等壓過程中內(nèi)能的增量也可表示為

根據(jù)熱力學(xué)第一定律可得過程中系統(tǒng)吸收的熱量：

系統(tǒng)從外界吸收的熱量中，一部分轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能，另一部分則用來對外界做功。

等溫過程（IsothermalProcess）

設(shè)一定量的理想氣體，物質(zhì)的量為，經(jīng)歷一準(zhǔn)靜態(tài)等溫過程從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，如下圖所示。由于系統(tǒng)溫度保持不變，因此等溫過程的曲線是一條雙曲線，稱為等溫線。等溫線把圖分為兩個(gè)區(qū)域，等溫線以上的區(qū)域氣體的溫度大于，等溫線以下的區(qū)域氣體的溫度小于。

其過程方程為

或

理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，所以內(nèi)能的增量。因?yàn)檫^程方程，所以等溫過程系統(tǒng)做功：

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，系統(tǒng)吸收的熱量：

在等溫過程中，系統(tǒng)從外界吸收的熱量全部用來對外做功。

絕熱過程

絕熱過程是氣體系統(tǒng)在狀態(tài)變化過程中與外界始終不交換熱量的過程。自然界中并不存在嚴(yán)格的絕熱過程，不過在某些過程中，如內(nèi)燃機(jī)汽缸內(nèi)混合氣體的燃燒和爆炸、聲波在傳播中引起空氣的壓縮和膨脹，過程進(jìn)行得極快，系統(tǒng)來不及與外界交換熱量，則可近似地看作絕熱過程。

設(shè)一定質(zhì)量的理想氣體系統(tǒng)，物質(zhì)的量為，經(jīng)一準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，由于絕熱過程系統(tǒng)與外界始終不交換熱量，即，由熱力學(xué)第一定律可得

（3.1.1）

表明在準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程中，外界對系統(tǒng)做的功完全轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能。

對于理想氣體

（3.1.2）

將式(3.1.2)代入式(3.1.1)，可得

（3.1.3）

另一方面，對理想氣體狀態(tài)方程

兩邊同時(shí)求導(dǎo)數(shù)，可得

（3.1.4）

聯(lián)立式(3.1.3)和式(3.1.4)得

上式兩邊同時(shí)除以，并利用邁耶公式和的定義，可得

（3.1.5）

這是理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程中狀態(tài)參量滿足的微分方程。對式(3.1.5)兩邊積分得

（3.1.6）

式中，C為積分常數(shù)。式(3.1.6)常寫為

（3.1.7）

式中，為一常量。利用理想氣體狀態(tài)方程，還可導(dǎo)出準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程中與的關(guān)系，及與的關(guān)系：

（3.1.8）

（3.1.9）

中，和是另外兩個(gè)常量。式（3.1.7）~（3.1.9）都是理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程方程。

根據(jù)絕熱過程方程，可在圖上畫出絕熱過程曲線，如下圖所示，簡稱絕熱線。

氣體系統(tǒng)經(jīng)絕熱過程從初狀態(tài)到末狀態(tài)的變化過程，內(nèi)能的變化為

系統(tǒng)所做的功為

利用絕熱過程方程式（3。1。7）絕熱過程·中系統(tǒng)對外界所做的功還可寫為

熱學(xué)循環(huán)

卡諾循環(huán)（Carnot Cycle）

在對熱力學(xué)循環(huán)的效率進(jìn)行研究時(shí)，卡諾摒棄了一切次要因素，選擇了一個(gè)理想循環(huán)，他設(shè)想在整個(gè)循環(huán)過程氣體只與兩個(gè)溫度為的恒溫?zé)嵩唇佑|，整個(gè)循環(huán)過程由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程構(gòu)成，這樣的循環(huán)稱為卡諾循環(huán)，按照卡諾循環(huán)工作的熱機(jī)稱為卡諾熱機(jī)，如下圖所示為一卡諾絕熱線熱機(jī)的循環(huán)過程，其中，分別為等溫膨脹、等溫壓縮過程，分別為絕熱膨脹、絕熱壓縮過程。

朗肯循環(huán)(Rankinecycle)

朗肯循環(huán)是以水蒸氣為工質(zhì)的一種循環(huán)。現(xiàn)代蒸汽動力循環(huán)以朗肯循環(huán)為主。基本朗肯循環(huán)是由19世紀(jì)蘇格蘭工程師威廉·郎肯(WiliamRankine)提出來的。現(xiàn)代蒸汽動力循環(huán)有很多改進(jìn)，使得效率大幅提高，廣泛用于熱力發(fā)電，如煤電、核電等。

水是朗肯循環(huán)中最常用的工作流體，因此，朗肯循環(huán)有時(shí)也稱為蒸汽動力循環(huán)。理想基本朗肯循環(huán)由四個(gè)過程組成，分別在四個(gè)設(shè)備內(nèi)完成：泵、蒸汽發(fā)生器、汽輪機(jī)和冷凝器。系統(tǒng)布局如下圖所示。

該系統(tǒng)中，鍋爐和過熱器就是蒸汽發(fā)生器。理想基本朗肯循環(huán)有如下四個(gè)過程：

過程：蒸汽在汽輪機(jī)中的定熵膨脹過程；

過程：濕蒸汽在冷凝器中的定壓放熱和冷凝過程；

過程：水在水泵中的定壓縮和加壓過程：過程4-1：水在鍋爐和過熱器內(nèi)的定壓加熱過程。

過程：水在鍋爐和過熱器內(nèi)的定壓加熱過程。

布雷頓循環(huán)（BraytonCycle）

布雷頓循環(huán)(Braytoncycle)是以氣體為工質(zhì)的循環(huán)，是由19世紀(jì)美國工程師喬治·布雷頓(GeorgeBrayton)提出來的。燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)就是布雷頓循環(huán)，常用作發(fā)電動力循環(huán)和飛行器動力循環(huán)，如渦噴或渦扇式發(fā)動機(jī)循環(huán)。基本布雷頓循環(huán)系統(tǒng)包含一個(gè)壓氣機(jī)、一個(gè)燃燒室和一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)，如下圖所示。布雷頓循環(huán)中的工作流體是空氣和其燃燒氣體，因此，布雷頓循環(huán)有時(shí)也稱為燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)。

理想基本布雷頓循環(huán)由如下四個(gè)基本熱力過程所組成，其中三個(gè)過程在裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)，另一個(gè)過程在大氣中實(shí)現(xiàn)：

過程：空氣在壓氣機(jī)中的定熵壓縮過程；

過程：氣體在燃燒室內(nèi)的定壓加熱過程；

過程：燃?xì)廨啓C(jī)中的定熵膨脹過程；

過程；大氣中的定壓冷卻過程。

奧托循環(huán)（OttoCycle）

奧托循環(huán)也稱定容加熱循環(huán)。準(zhǔn)靜態(tài)奧托循環(huán)是由兩條絕熱線和兩條等容線構(gòu)成的，如下圖所示。

奧托循環(huán)包括四個(gè)分過程，敘述如下：

(1)吸入燃料過程氣缸吸入汽油蒸汽及助燃空氣，這是等壓過程(圖中過程a6)，壓強(qiáng)約等于一個(gè)大氣壓，

(2)壓縮過程活塞自右向左移動，將已吸入氣缸內(nèi)的混合氣體壓縮，混合氣體的體積減小，溫度升高，壓強(qiáng)增大，由于壓縮較快，氣缸散熱較慢，故可看作一絕熱過程(圖中bc)。

(3)爆炸、作功過程緊接著上一過程，在高溫壓縮的氣體中，用電火花或其它方式引起氣體燃燒爆炸，氣體壓強(qiáng)隨之突然增加。由于爆炸瞬間活塞移動的距離極小，故這一爆炸瞬間的變化可看作等容過程(圖中cd)，巨大的壓強(qiáng)把活塞向右推動作功，而壓強(qiáng)則隨著氣體的影脹而迅速降低，爆炸后的這一作功過程可看作一絕熱過程(圖中de)。

(4)排氣過程排氣口開放后，氣體的壓強(qiáng)驟然降低至大氣壓強(qiáng)，這近似于等容過程(圖中e6)，然后再由飛輪的慣性帶動活塞使之從右向左移動，排出廢氣，這是等壓過程(圖中6a)，至此第一個(gè)循環(huán)結(jié)束。此后，第二個(gè)循環(huán)開始。

應(yīng)用領(lǐng)域

工程學(xué)

熱機(jī)

熱機(jī)(heatengine)是一種可以吸收熱量并把一部分熱能轉(zhuǎn)化為功的機(jī)器。蒸汽輪機(jī)就是種重要的熱機(jī)，大多數(shù)現(xiàn)代電廠用它發(fā)電。汽車中使用的內(nèi)燃機(jī)并沒有真正地吸收外界的熱量但是如果我們將它的熱能當(dāng)作是從外部而非內(nèi)部來的話，也可以把它看成一種熱機(jī)。

制冷機(jī)

制冷機(jī)是利用外界做功，使熱量由低溫處流到高溫處，從而獲得低溫的機(jī)器。在制冷機(jī)中，工作物質(zhì)做逆循環(huán)。在p-V圖上，逆循環(huán)按逆時(shí)針方向進(jìn)行。

蒸汽機(jī)

蒸汽機(jī)(steamengine)是和內(nèi)燃機(jī)相差甚大的一種熱機(jī)，在19世紀(jì)，蒸汽機(jī)的身影無處不在，時(shí)至今日，它還在大型電廠中為我們發(fā)電。蒸氣通過推動活塞或者渦輪來做功，熱由化石燃料的燃燒或的裂變產(chǎn)生。下圖顯示了這個(gè)循環(huán)——朗肯循環(huán)(Rankinecycle)——的示意圖以及對應(yīng)的理想情況下的P-V圖。從點(diǎn)1開始，水被泵入高壓點(diǎn)2然后流入鍋爐，之后在恒定壓強(qiáng)下加熱：在點(diǎn)3處，蒸氣撞擊渦輪同時(shí)絕熱膨脹、冷卻并回到最一開始的低壓(點(diǎn)4)；最后，部分冷凝的流體(水+蒸氣)流入“冷凝器”(一系列管道組成的網(wǎng)絡(luò)，通過與低溫?zé)釒炝己玫臒峤佑|給流體散熱)進(jìn)一步放熱液化。

?冷卻塔

冷卻塔用來除去水中的熱量并將其散發(fā)到大氣中。它有許多種可用的類型，其中三種最常用的類型是空冷式、閉式及蒸發(fā)式。

空冷式換熱系統(tǒng)包含一個(gè)自帶水箱和一個(gè)電動機(jī)水泵、一個(gè)空冷塔(由冷卻管、片和風(fēng)扇組成)。與蒸發(fā)系統(tǒng)相比，這些空冷系統(tǒng)的維護(hù)非常低，但它們比蒸發(fā)式冷卻塔的換熱能力(BTU)小。帶壓的閉環(huán)冷卻塔的循環(huán)水需使用乙二醇，以防內(nèi)部的冷卻管束被凍爆，冷卻塔還包括一個(gè)集水盤及避免集水盤結(jié)冰的加熱器，通常在冷卻系統(tǒng)的管道外部需加裝加熱帶保溫防止管道凍壞。

化學(xué)

在化學(xué)變化的過程中，伴隨著放熱、吸熱、發(fā)光、發(fā)熱、放出氣體、生成沉淀等現(xiàn)象。因此無論起什么化學(xué)反應(yīng)，一定伴隨著能量變化，或者是吸收熱量，或者是放出熱量。比如在中學(xué)課程中的或都是放熱反應(yīng)。有些反應(yīng)需要在一定溫度下才能發(fā)生。如碳在常溫時(shí)與氧氣一般不起化學(xué)反應(yīng)，這時(shí)所加的熱并不時(shí)反應(yīng)過程中的能量變化，而是用來引發(fā)這個(gè)化學(xué)反應(yīng)的。而與，的化學(xué)反應(yīng)一旦引發(fā)，反應(yīng)發(fā)生的熱就能夠使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，不再需要進(jìn)行外加熱。這兩個(gè)反應(yīng)都是吸熱反應(yīng)，由于吸熱反應(yīng)的過程

要吸收熱量，所以反應(yīng)時(shí)往往需要用加熱或高溫條件手段不斷提供熱量，才能使反應(yīng)正常進(jìn)行下去。否則隨著溫度的不斷下降，反應(yīng)將不能進(jìn)行。

生物醫(yī)學(xué)

生物傳感器

生物傳感器(biosensor)是在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、電化學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)及電子技術(shù)等多種學(xué)科相互滲透中成長起來的一門新學(xué)科。一般有兩個(gè)主要組成部分，其一是識別元件(感受器)，是具有識別待測物能力的生物活性物質(zhì)；其二是信號轉(zhuǎn)換器(換能器)。當(dāng)待測物與識別元件特異性結(jié)合后，所產(chǎn)生的配位化合物(或光熱等)通過信號轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭梢暂敵龅碾娦盘枴⒐庑盘柕龋瑥亩_(dá)到分析檢測的目的。

熱電換能器

熱電換能器是利用熱電偶或熱敏電阻來實(shí)現(xiàn)換能的。熱電偶的主要元件是康銅絲，它是一種含有銅、、錳的電阻合金，電阻溫度系數(shù)較小，它對銅熱電勢高，可直接把熱能變?yōu)殡娔堋Ｈ缦聢Da所示，當(dāng)康銅絲兩端存在溫度差時(shí)，接在康銅絲兩端的銅絲末梢會出現(xiàn)等量異種電荷，從而兩銅絲的末梢間會產(chǎn)生與溫度差成正比的電壓。這樣如康銅絲一端的溫度恒定或已知，利用測得的電勢差可直接獲得另一端的溫度。

醫(yī)學(xué)上利用熱電偶可測得身體內(nèi)部或體表的溫度。熱敏電阻是利用半導(dǎo)體在溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體中的載流子濃度增加，半導(dǎo)體的阻值減小這一特性，使它和其它電阻組成電橋，由電橋感知微小的阻值變化。如下圖b所示，為熱敏電阻，為平衡電阻，、為電橋電阻，使用時(shí)放置在被測部位，處溫度恒定或已知，如時(shí)，電橋平衡，和處的溫差為零，沒有信號輸出；當(dāng)處的溫度有所變化時(shí)，的阻值會發(fā)生微小變化，電橋的平衡被破壞，，此時(shí)會有信號輸出，輸出信號的電壓在小范圍內(nèi)和、處的溫度差成正比。和處的溫度差愈大，電橋越不平衡，經(jīng)放大顯示后的溫度值越高。在醫(yī)學(xué)上熱電換能器用于測量生物體的溫度和體溫監(jiān)控。

材料科學(xué)

火

淬火是將工件加熱至或以上某一溫度，保溫后以適當(dāng)速度冷卻，獲得馬氏體和(或)下貝氏體組織的熱處理工藝。淬火的目的是提高鋼的硬度和耐磨性。火是強(qiáng)化工件最重要的熱處理方法。

熱管理復(fù)合材料

從熱管理的角度研究電子封裝用的材料，通過對復(fù)合材料進(jìn)行組分與其含量的選擇和排列取向的設(shè)計(jì)，而使之具有適合要求的熱導(dǎo)率或線膨脹系數(shù)，增大系統(tǒng)功率輸出、降低系統(tǒng)熱疲勞損傷和熱應(yīng)力破壞，這類材料稱之為熱管理材料。該類復(fù)合材料在航空航天、汽車和電子領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。

隨著電子及通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，高性能芯片和大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的使用越來越廣泛。電子器件芯片的集成度、封裝密度以及工作頻率不斷提高，而體積卻逐漸縮小，這些都使芯片的熱流密度迅速升高。高溫將會對電子元器件的性能產(chǎn)生有害的影響，譬如過高的溫度會危及半導(dǎo)體的結(jié)點(diǎn)，損傷電路的連接界面，增加導(dǎo)體的阻值和形成機(jī)械應(yīng)力損傷。隨著溫度的增加，其失效率呈指數(shù)增長趨勢，甚至有的器件在環(huán)境溫度每升高10℃，失效率增大一倍以上，被稱為10℃法則。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備的失效率有55%是由溫度超過規(guī)定的值引起的。同時(shí)，大多電子芯片的待機(jī)發(fā)熱量低而運(yùn)行時(shí)發(fā)熱量大，瞬間溫升快。這就要求基板和封裝材料具有越來越優(yōu)異的性能，如高熱導(dǎo)率、低膨脹系數(shù)、低介電系數(shù)和熱穩(wěn)定性。

能源利用

蓄熱系統(tǒng)

蓄熱技術(shù)是指采用適當(dāng)?shù)姆绞剑锰囟ǖ难b置，將暫時(shí)不用或多余的熱量通過一定的蓄熱材料儲存起來，需要時(shí)再釋放出來加以利用的方法。

蓄熱方式適用于只限白天才有的太陽能系統(tǒng)或者是要想避開白天電力高峰負(fù)荷的場合。采用蓄熱系統(tǒng)可進(jìn)一步降低裝置的容量，減小能耗費(fèi)用(由于夜間電價(jià)等原因)。

在蓄熱的手段方面，有利用固體、液體的顯熱蓄熱和潛熱蓄熱，有利用化學(xué)反應(yīng)熱的蓄熱等。在建筑設(shè)備里，最便于利用的是作為熱媒本身的水的顯熱蓄熱。由于其比熱大、處理方便，所以最為實(shí)用，實(shí)際使用也最多。

太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

所謂太陽能熱發(fā)電，就是利用聚光集熱器把太陽能聚集起來，將某種工質(zhì)加熱到數(shù)百攝氏度的高溫，然后經(jīng)過熱交換器產(chǎn)生高溫高壓的過熱蒸汽，驅(qū)動汽輪機(jī)并帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。從汽輪機(jī)出來的蒸汽其壓力和溫度均已大為降低，經(jīng)過冷凝器冷凝為液體后，被重新泵回?zé)峤粨Q器，又開始新的循環(huán)。由于整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的熱均來自于太陽能，因而稱之為太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。

利用太陽能進(jìn)行熱發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換過程為：首先將太陽輻射轉(zhuǎn)換為熱能，然后將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，最后將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

參考資料 >

熱學(xué).術(shù)語在線.2024-02-12

..2024-02-12

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