工程热力学与传热学的区别与联系

首先，我们看一下什么是热力学。热力学是一门研究物质的能量、能量传递和转换以及能量与物质性质之间普遍关系的科学。而工程热力学则是热力学的一个分支。工程热力学是在阐述热力学普遍原理的基础之上，研究这些原理如何在工程上实际应用的学科，它重点研究的是热能与其他形式能量（主要是机械能）之间的转换规律及其工程应用。

自然界中可以被利用的能量，全世界范围来看，绝大多数的能量是以热能的形式被利用。我国的用能结构，依然是以煤炭为代表的化石能源为主，这些化石能源所产生的能量，绝大多数也同样以热能方式被我们利用。

热能的利用形式，大致分为直接取热与间接取热两种模式，前一种为直接通过化石能源燃烧得到热量以加热物体，大致占比90%；后者为通过化石燃料燃烧得到热量后，转换成机械能或者继续转化为电能，大致占比10%。

工程热力学的研究对象主要就是能量转换，特别是热能转化成机械能的规律和方法，以及提高转化效率的途径，以提高能源利用的经济性。比如，如何更加高效地产生热力？如何增加燃气轮机的热效率？如何提高锅炉和蒸汽轮机的效率？以及如何提高汽车发动机乃至压缩机的效率？等等。

如果要学好工程热力学，那么首先要抓住工程热力学的“纲”，也就是能量传递转移过程中数量守恒和品质的变化，其本质也就是热力学第一定律和热力学第二定律。

传热学是研究温差引起的热能传递规律的科学。在生活和工程实际场景下，由于温度变化而引起温差的情况无处不在，这也就使得热量传递成为普遍存在的现象。这里说的热量传递规律，就是指单位时间内传递了多少热量，即热能的多少。热量传递的多少与温差之间存在一定的关系和规律，我们通常利用热量传递的速率方程进行描写与刻画。这里非常明显地，一提到速率，第一个想到的就是时间，也就是单位时间内传递了多少热量。

工程热力学与传热学之间研究内容有什么区别呢？

第一，也是根本的区别是：工程热力学研究的是处于平衡状态的系统，其中不存在温差或者压力差。而传热学则正是研究有温差存在时的热能传递规律。

比如，将一个1000℃的钢锭，放入油中冷却，随着时间推移，最后冷却到100℃，在这样的过程中，热力学可以告诉我们每千克钢锭在这一冷却过程中散失的总热量。假定钢锭的比热容为450J/(kg·K)，则通过比热容定义式

我们就可以计算出来，每千克钢锭损失的热力学能为1kg×450 J/(kg·k) ×(1000-100)k=405kJ。但是，热力学无法告诉我们钢锭为了达到100℃这样的冷却温度，需要多长时间。而这一时间取决于油槽中油的温度、油的运动状态、油的物理性质等，这些正是传热学研究的内容。

第二，使用的物理量单位上存在区别。热力学中的各个物理量，如焓、热力学能、熵和比热容等都不包含时间。而传热学中的主要物理量都是以时间作为分母，传热学更关心单位时间内可以传递多少热能。

比如传热学中，我们经常需要了解热量传递过程中的温度场变化情况，也就是需要求解一个温度随时间变化的函数。温度变化情况确定了，那么传递的热量也就方便掌握了。而温度随时间的变化，就是将温度T作为分子，时间τ作为分母，根据能量守恒列写微分方程式。如笛卡尔坐标系下，三维非稳态导热微分方程的一般形式。

工程热力学与传热学之间又有密切的联系，他们的关系是什么呢？

首先，从学科划分角度说，传热学与工程热力学都是研究与热现象有关的科学。我国工程界和教育界，将这两门课程合称为热工课程，也称为热工学。

两个学科之间的紧密联系，也可以体现在热力学定律的使用上。

分析任何热量传递过程都需要用到热力学第一定律，也就是能量守恒定律。工程热力学中，热力学第一定律可以应用在封闭系统（闭口系），也可以用在开口系统（开口系）。每种系统又存在与时间无关的稳态和与时间有关的非稳态两种情况。

传热学中研究导热过程时，需要用到封闭系统的热力学第一定律表达式。传热学研究对流传热时则需要采用其开口系的表达方式。传热学中经常提到的“能量平衡”或“热平衡”，实际上是热力学第一定律的称谓。

热量传递的推动力是温差，如果两种物质不存在温差，也就是处于平衡的状态，那么就不可能存在热量的传递，这种情况正式热力学第二定律所涉及的内容。

从以上描述可以看出，工程热力学第一定律和第二定律是进行传热学研究和学习的基础。

参考文献：

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