王安良

2014-12-10草

基本概念

功量与热量

它们都是系统与外界发生能量交换的过程量，但“品质”上有很大差别。那么什么是能量？人们对能量概念的定义和认识非常笼统，就如对物质、精神等概念一样，这类概念可以说影响到所有的学科领域。在工程热力学这门课中，我们认为能量是物质运动的一类表现形式。能量一般应有物质载体，在物质之间相互交换或传递时，功量和热量是两种主要表现形式。我认为，物质之间的能量交换往往还伴随着物质种类发生变化，或者说有新物质产生，旧物质的湮灭，这有点升到哲学层面上的味道，工程热力学这门课不研究。

功量

什么是功量？举例来说，力与位移的乘积就是一种功，称为机械功；相应的还有电功和磁功。那么，还有其它种类的功吗？我认为还有。比如跟相变或扩散有关的物质微观结构变化；跟“光”有关的无“质量”媒介的传递；中国的气功跟这里的功在本质上是不同的。在工程热力学中，与功量直接相关的两个物理参数是工质的压强和比容。压强就是热力学范畴上的“力”，比容就是热力学范畴上的“位移”。宇宙中没有绝对压强为零的地方，当然压强为无穷大也只有理论价值。比容是物质（这里特指流体工质）密度的倒数形式，那么比容不能为无穷大也不能为零，或者没有实际应用价值。研究接近零或无穷大的压强和比容的问题，属于理论热力学的范畴，我们不深究。压强与比容是状态参数，它们的基础来自力学平衡，或者以工质处于准静态为前提条件；不太严格地说，流体工质局部（或称微元）在宏观上可以当成是“准平衡态”，其压强和比容才有了物理定义。

热量

什么是热量？要回答这个问题，涉及到“热”的本质问题。从微观上来说，“热”经历了从“热质说”到“热动说”的演变。目前，人们普遍认为“热”是对粒子（分子、原子等）微观运动的表现形式，或者说是粒子热运动的宏观统计表述，还可以说“热动说”成为了主流观念。这个问题在统计热力学中有较详细的研究，而且还在被研究。工程热力学中，与热量直接相关的两个物理参数是工质的温度和熵。我认为相变、化学反应、核反应以及生化反应等，也与热量相关，我们不作深入探讨。温度的概念及其测量是以热力学第零定律为基础的，而熵的概念则是以热力学第二定律为基础。在谈到基本定律时，我再进一步讨论这俩概念。温度和熵也是工质的状态参数。研究接近于零或无穷大的温度和熵，也属于理论热力学的范畴，我们涉及不深。

   自然界中，物质在功量交换（同类功之间）或转换（不同类功之间）过程中，通常伴随着热量交换。这就是所谓的热-力“耦合”。我认为自然界中完全没有热量交换或者极少能量交换的事情，有，比如天文观测、卫星通讯等，对于地球上一般工程问题又是一个理想化模型。如果忽略热量交换，这种“解耦”方法常常被人们利用，也一直在很多领域有应用价值，比如力学、电学、光学以及磁学等。在我们看来，功量隐含的意思是“高品质”的能量，相对应的“低品质”能量，显然指的是热量。功量向热量转变是自发的，可以称为耗散效应。反过来，热量向功量转变通常也不是百分百的转变。实际上如何把热能转变其它形式的能（主要是机械能）是工程热力学的研究主题之一，甚至说是核心内容。那么“纯热量”交换过程中，也会伴随着功量交换吗？我认为物质在进行热量交换的同时也应伴随着功量交换或转换，若忽略功量因素，也是一种“解耦”方法，就是传热学的范畴。