Fundamental Research | 过增元院士：热力学和传热学中的状态量
Fundamental Research 2022年第2卷第1期封面
热力学和传热学中的状态量
关键词：状态量， 熵，热力学，“火积” ，传热学
热力学和传热学是热学中两个平行且相对独立的分支学科。热力学主要关注热量与其它形式能量之间的转换规律，而传热学着眼于热量的输运规律。它们的研究现象、研究方法、系统特性以及状态量和过程量之间的关系都是不同的，因此这两个学科之间没有从属或简化的关系。
在热力学中，所研究的简单可压缩热力系是双变量过程系统，由二元函数主导，它的一个状态参数（热力学能）的变化量对应于两个过程量（热和功）。在传热学中，所研究的热系统由不可压缩介质微元体构成，是由一个变量即温度主导的单变量过程系统，它的一个状态量（系统储存热能，或称热含量）的变化量只对应于一个过程量（传热量）。此外，傅里叶定律、导热微分方程和“火积”平衡方程都是传热学中状态量之间的关系。这些本质区别导致热力学需要强调状态参数和过程量的区分，而其它学科，如传热学和力学则不强调。
在热力学中，由于简单可压缩热力系的双变量过程特性，熵是一个特殊的状态参数，其通过过程量（换热量δQ）乘以唯一的积分因子（1/T）定义。在传热学中，鉴于热系统的单变量过程特性，系统储存热能（热含量）是温度T 的单值函数，且无穷小传热量δQ可以表示为一个恰当微分，因此无需通过引入积分因子来证明“火积”是状态参数。
对于不可压缩热系统，有无穷多个与传热量相关的状态参数（图1）。是否需要它们取决于它们的物理意义和应用价值。其中，“火积”是传热学中的一个特征状态量，它描述热量在传递现象中所具有的“势能”。基于“火积”引入了新的物理量，例如“火积”耗散率和“火积”耗散热阻，提出了传热学中的最小作用量原理，建立了新的传热过程分析优化方法。
在“火积”理论的发展过程的初期曾经假设比热容为常量，但在之后的工作中已经采用了变物性下“火积”的表达式。热力学、力学和电学学科均有采用理想化和简化来揭示所研究现象的物理本质，但每个学科的一般性不会因这种理想化而在本质上降低。所有学科都有助于理解复杂的自然界，传热学中的“火积”理论无疑是其中的一部分。
图1. 不可压缩热系统中与传热量相关的状态量。
以上内容节选自期刊Fundamental Research 2022年第1期发表的文章“S. Xu, T. Zhao, Q. Chen, et al., State functions/quantities in thermodynamics and heat transfer, Fundamental Research 2(1)(2022) 101-107”。
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主要作者简介
过增元 清华大学工程力学系教授，中国科学院院士，美国机械工程师学会会士，Journal of Enhanced Heat Transfer 和Frontiers in Heat and Mass Transfer 编委会成员。曾获3次中国国家自然科学奖，汤森路透高被引学者，International Journal of Heat and Mass Transfer 最多引用文章奖，ICNMM微尺度传热领域终身贡献奖，JSME热工学国际活动奖。目前研究方向包括“火积”理论、传热强化和优化、微/纳米尺度传热、热质理论等。已发表四本专著和300余篇期刊论文。
徐圣知 博士，清华大学工程力学系博士后研究人员。主持国家自然科学基金青年科学基金和中国博士后创新人才支持计划项目。研究方向包括吸附和热化学储热、各类能量转换系统的性能优化、热力学以及“火积”理论。已在Energy Conversion and Management、Energy、International Journal of Refrigeration 等期刊上发表10余篇学术论文。曾获上海交通大学优秀博士学位论文提名、清华大学“水木学者”计划、上海市优秀毕业生、国家奖学金等。
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