Теплофизика

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2926 

Кафедра энергоэффективных и ресурсосберегающих
промышленных технологий 

И.А. Прибытков 
 
 

Теплофизика

 

Учебное пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2016 

УДК 536+621.1.016 
 
П75 

Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук, проф. Б.С. Мастрюков;  
канд. техн. наук, доц. С.И. Герцык 

Прибытков И.А. 
П75  
Теплофизика : учеб. пособие / И.А. Прибытков. – М. : Изд. 
Дом МИСиС, 2016. – 87 с. 
ISBN 978-5-87623-984-6 

Рассмотрен физический смысл терминов, определений и размерность основных теплофизических величин. Приведены краткие биографические 
очерки ученых, внесших существенный вклад в развитие теории рассматриваемого направления науки. 
Учебное пособие предназначено для студентов бакалавриата и магистратуры направления «Металлургия», изучающих теплофизические и теплотехнические курсы. Может быть полезным для студентов других направлений 
бакалавриата и магистратуры. 

УДК 536+621.1.016 

 
ISBN 978-5-87623-984-6 
 И.А. Прибытков, 2016 
 НИТУ «МИСиС», 2016 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие .............................................................................................. 4 
1. Очерк об истории развития учения о теплоте .................................... 5 
2. Основные понятия и термины ........................................................... 13 
2.1. Энергия, теплота, температура, энтропия ................................. 13 
2.2. Перенос теплоты молекулярной теплопроводностью ............. 18 
2.3. Конвективный теплообмен ......................................................... 33 
2.4. Теплообмен излучением ............................................................. 50 
3. Критерии подобия .............................................................................. 62 
4. Выдающиеся ученые, внесшие значительный вклад 
в развитие теории гидрогазодинамики и теплофизики ....................... 67 
Литература .............................................................................................. 84 
Приложение ............................................................................................. 85 
 

Предисловие 

В процессе обучения студенты бакалавриата и магистратуры 
направления «Металлургия» изучают различные учебные дисциплины теплофизической и теплотехнической направленности. По своему 
научному и техническому содержанию эти дисциплины являются 
сложными, требуют хорошей базовой подготовки по математике, 
физике и другим дисциплинам общетехнического цикла. В них используется большое количество терминов и определений, в которых 
заложен определенный физический смысл. Зачастую в учебниках, 
учебно-методических и других изданиях не всегда акцентируется 
внимание на содержательной части терминов и определений, что 
может приводить к непониманию учебного материала, различному 
его толкованию, а в дальнейшем – к невозможности общаться специалистам в их профессиональной деятельности. 
В учебном пособии приведено обобщение и излагается установившееся толкование терминов, определений и различных теплофизических величин с указанием размерностей, соответствующих Международной системе единиц. Для облегчения пользования англоязычной 
литературой приводится англоязычная версия. Кроме того, рассматривается перечень наиболее часто используемых величин с соответствующей размерностью и методики перевода их значений из ранее 
действующих систем. В заключительной части приводится краткий 
биографический обзор, хотя и неполный, ученых, внесших большой 
вклад в становление и развитие тех научных положений, в которых 
используются рассматриваемые в учебном пособии термины и определения. Автор полагает, что включение вышеуказанного материала 
позволит расширить кругозор студентов и в определенной степени 
вызовет дополнительную мотивацию к изучению учебного материала. 
В учебном пособии сознательно не приведены формулы и справочные данные, используемые при расчетах, поскольку это выходит 
за рамки целевого назначения данного издания. Оно может быть использовано студентами бакалавриата и магистратуры других направлений, в которых предусмотрена теплотехническая подготовка. 
 

1. ОЧЕРК ОБ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ 
УЧЕНИЯ О ТЕПЛОТЕ 

В древние времена люди использовали понятие теплоты на качественном уровне «холодно, тепло» без каких-либо количественных 
измерений и понятие «температура» носило качественный характер. 
Значительно позже с появлением научных исследований возникла 
необходимость количественной оценки температуры, т.е. необходимость связать это понятие с мерой и числом. Для этого необходимо 
было разрабатывать температурные шкалы и термометры – приборы 
для измерения температуры. Считается, что это был первый шаг в 
развитии учения о теплоте. Большой вклад внесли Галилео Галилей 
(1564–1642), Еванжелиста Торричелли (1608–1674), Отто Герике 
(1602–1686) и другие выдающиеся ученые того времени. Однако основателем термометрии считается Габриэль Даниэль Фаренгейт 
(1686–1736), построивший термометр, практически используемый до 
сих пор.  
Исторически в научном сообществе сначала господствовало представление о теплоте как о некой калорической жидкости (от. лат. сalor – теплота). Считалось, что эта жидкость есть во всех телах, и от 
того, сколько ее содержится в теле, зависит его температура. В том, 
что температура тел, находящихся в тепловом контакте, выравнивается, усматривали аналогию с установлением общего уровня жидкости в сообщающихся сосудах.  
Очередной шаг в развитии учения о теплоте сделал Джозеф Блэк 
(1728–1799). Блэк и его современники считали теплоту неразрушимым несоздаваемым веществом. Сначала никто не признавал, что 
даже в случае созданной Джеймсом Уаттом (1736–1819) паровой 
машины, совершившей в 1770 г. переворот в экономике, подведенная 
теплота частично превращается в механическую работу и как теплота, следовательно, теряется. Только лишь после открытия Ю. Майером (1814–1878) в 1842 г. эквивалентности теплоты и энергии Рудольф Клаузиус (1822–1888) вывел второе начало термодинамики, 
основываясь на гениальной интуиции Сади Карно (1796–1832) о том, 
что работа паровой машины определяется всеобщим законом переноса теплоты от высоких к более низким температурам. Теория калорической жидкости в том виде, как ее сформулировал Дж. Блэк, 
могла объяснить широкий круг явлений. Однако встречались затруднения при объяснении многих физических процессов. Например, хо

рошо известно, что если нагревать лед, то его температура не повышается до тех пор, пока весь лед не растает. Такое тепло Блэк назвал 
«скрытым» (термин «скрытая теплота плавления» используется и в 
настоящее время), имея в виду, что при таянии льда теплота как-то 
переходит в частицы воды. Вода вмещает большое количество скрытой теплоты, и когда американский ученый Бенджамен Томсон (граф 
Румфорд, 1753–1814) показал, что вес льда при таянии остается 
неизменным, было решено, что калорическая жидкость невесома. 
В другом опыте, проведенном в Мюнхенском арсенале на станке, 
на котором рассверливали стволы пушек, Румфорду удалось добиться выделения большого количества теплоты при небольшом количестве металлической стружки: для этого он в течение двух с половиной часов сверлил болванку тупым сверлом. Румфорд счел, что его 
опыт убедительно доказал несостоятельность теории калорической 
жидкости, но ее сторонники возразили, что в материи очень много 
этой жидкости и даже при сверлении тупым сверлом высвобождается только малая ее часть.  
Используя понятие температуры и представление о неразрушимости количества теплоты, Жан Батист Био (1774–1862) в 1804 г. и в более законченной форме Жан Батист Джозеф Фурье (1768–1830) в 1807 
и в 1811 гг. основали математическую теорию теплопроводности. 
Ученые-химики считали, что теплота – это особая материя, 
названная теплородом. Эта жидкость обладает особым сродством к 
свету и, соединяясь с ним, сообщает свету особую «согревательную 
силу».  
Решительным противником гипотезы теплорода выступил Гемфри Дэви (1778–1829). Своими опытами по плавлению кусков льда 
при трении их друг о друга он окончательно опроверг гипотезу теплорода и высказался за колебательную (волновую) теорию теплоты. 
Волновую теорию теплоты поддерживал Томас Юнг (1773–1829), 
утверждавший, что теплота заключается в колебании частиц тел и 
что эти колебания распространяются волнообразно в пустоте. Позже 
(1807 г.) он окончательно пришел к выводу о том, что свет и теплота 
состоят из совершенно одинаковых колебаний, отличающихся тем, 
что тепловые колебания медленнее световых. Калорическая теория 
просуществовала примерно до 1850 г. Однако еще Демокрит более 
чем за 2000 лет до этого выдвигал другую гипотезу (известен как создатель атомистической теории). Если материя состоит из крохотных 
частиц, то отличие твердого тела от жидкости определяется разной 
силой их сцепления. Если принять, что вначале при нагревании ча

стицы твердого тела начинают просто сильнее колебаться, оставаясь 
на своих местах, то разумно предположить, что при нагревании выше 
определенной температуры частицы будут срываться со своих мест, 
образуя жидкость, а при дальнейшем нагревании произойдет следующее превращение – жидкость станет газом. Галилей высказал аналогичную идею в 1623 г, а Декарт писал в 1644 г., что «под теплом и 
холодом следует понимать не что иное, как ускорение и замедление 
материальных частиц». Ньютон, расходившийся с теорией Декарта 
почти по всем вопросам, в этом пункте был с ней согласен. 
Хорошо известно, что движение тел при наличии трения порождает теплоту и, наоборот, теплота может порождать движение, как 
это происходит, например, в паровой машине и двигателе внутреннего сгорания. Возникает вопрос: сколько работы может совершить 
тепловая машина, если подвести к ней заданное количество теплоты? 
Ответить на этот вопрос весьма трудно, и в его рассмотрении необходимо выделить одно наиболее важное обстоятельство – совершение тепловой машиной некоторой работы сопровождается исчезновением определенного количества теплоты. 
Говоря о механической работе, совершаемой машиной, пионер в 
этой области французский физик С. Карно употреблял термин «движущая сила». В записной книжке, обнаруженной в 1878 г. после 
смерти Карно, говорилось: «Тепло может быть колебательным движением частиц. Если это так, то количество тепла есть не что иное, 
как механическая энергия, затраченная на приведение частиц в колебательное движение… Таким образом, можно сформулировать общий принцип, согласно которому количество движущей силы в природе неизменно; точнее говоря, она не создается и не исчезает». Этот 
принцип имеет для физики огромное значение. Он называется законом сохранения энергии, а в контексте данного раздела – первым 
началом термодинамики.  
Слово «энергия», введенное в научный оборот Т. Юнгом в 1807 г., 
имеет смысл «полного количества энергии», которое остается постоянным и включает в себя тепловую, кинетическую и все прочие 
формы энергии, упоминаемые в научно-технической литературе. Не 
стремясь к особой строгости, можно определить энергию как способность совершать работу, а ее мерой, какую бы форму ни принимала энергия, считать количество механической работы, которой 
энергия эквивалентна. Карно удалось найти численное выражение 
эквивалентности теплоты и работы. В современных единицах полу

ченный им результат таков: 3,7 Дж эквивалентно 1 кал (более точное 
значение равно 4,187). 
То же самое открытие было сделано врачом Ю. Майером, заметившим изменения в интенсивности обмена веществ у моряков, совершавших плавание в экваториальных водах. В 1842 г. Майер пришел к заключению, что механический эквивалент одной калории равен 3,85 Дж, но его главной заслугой было глубокое интуитивное 
уяснение важности и универсальности нового принципа, позволившее ему применять закон сохранения энергии в столь разных областях, как физиология, небесная механика и теория приливов.  
 Однако самый существенный вклад в развитие принципа сохранения энергии внес Дж. Джоуль (1818–1889). В 1843–1848 гг. он 
провел серию опытов по изучению взаимных превращений электрической, тепловой, механической и внутренней энергии и, на основании полученных данных, заключил, что механический эквивалент 
теплоты составляет от 4,25 до 4,60. Тщательные измерения Джоуля 
вооружили противников теории калорической жидкости многочисленными весомыми аргументами, и эта теория оказалась окончательно опровергнутой: теплота как вид энергии может возникать и исчезать, но при этом общее количество энергии в мире остается неизменным. 
Для установления первого начала термодинамики потребовалось 
столь много времени потому, что существует еще один принцип, 
ограничивающий работу, которую можно совершить при данном количестве теплоты. Этот принцип тоже был открыт Карно и изложен 
им в труде «Рассуждения о движущей силе огня» (1824 г.). В ней 
Карно показал, что если теплота подводится к машине при температуре Т1, а отводится при температуре Т2 (это могут быть температуры, при которых водяной пар поступает в паровую машину и отводится от нее), то существует некий максимум работы, которую может совершить машина при данном количестве теплоты. Этот максимум всегда меньше полного количества теплоты и определяется 
только Т1 и Т2, независимо от того, какое вещество переносит теплоту. Из закона сохранения энергии следует, что часть теплоты, подводимая к машине, уходит с отработавшим теплоносителем, оставаясь 
неиспользованной. Чем ниже температура теплоносителя, тем труднее использовать его энергию на совершение работы. В килограмме 
воды при комнатной температуре больше тепловой энергии, чем в 10 
г пара, но энергию последнего значительно легче извлечь. Таким образом, в результате любого превращения энергии в работу с теплоно

сителем уходит какое-то количество менее «полезной» энергии, и 
никакой компенсирующий процесс не может увеличить ее «полезность».  
В математической форме это положение выразил Р. Клаузиус, 
введя величину, которую он назвал энтропией и которая является 
мерой «бесполезности» (с точки зрения совершения работы) энергии. 
Любой процесс, в результате которого тепло превращается в работу, 
сопровождается повышением энтропии окружающей среды. Было 
установлено, что любая попытка уменьшить энтропию приводит к 
еще большему ее увеличению где-нибудь в другом месте. Ныне этот 
принцип называется вторым началом термодинамики. Содержание всей своей работы Клаузиус сформулировал в виде двустрочия, 
помещенного в конце статьи: «Энергии мира постоянна. Энтропия 
мира стремится к максимуму». 
Этот максимум отвечает состоянию, в котором вся материя будет 
иметь одну и ту же температуру и нигде не будет «полезной» энергии. Но уже задолго до того, как будет достигнуто такое состояние, 
жизнь станет невозможна. Пессимистический интеллектуальный 
климат конца XIX в. во многом связан с открытием этих двух абсолютных ограничений для будущего человечества. 
Развитая в трудах Клазиуса, Кельвина (1824–1907) и их последователей термодинамика преуспела в установлении связей между 
множеством различных физических и химических явлений на основе 
первого и второго начал термодинамики, однако существуют пределы, за которыми столь общие утверждения уже не в силах объяснить 
происходящее. Необходимо было выяснить, каковы размеры частиц 
вещества и как они движутся. Не зная этого, невозможно, например, 
предсказать, при какой температуре будет плавиться данное твердое 
вещество, каковы его скрытая теплота плавления и электрические 
свойства. В общую схему термодинамики необходимо было включить законы, которым подчиняется движение отдельных молекул. 
Проблема, с которой столкнулись ученые, была несравненно более 
трудной, чем ранее. Молекулы слишком малы, чтобы их можно было 
наблюдать непосредственно, и выводы можно делать, опираясь только 
на коллективные свойства систем, состоящих из миллиардов частиц. 
Первый шаг в создании молекулярно-кинетической теории сделал 
Д. Бернулли в своей книге по гидродинамике (“Hydrodynamica sive 
de viribus et motibus fluidorum commentarii”, 1738 г.). Д. Бернулли 
принял, что газ состоит из чрезвычайно малых частиц, которые движутся быстро и свободно, если не считать столкновений. Эти части

цы осыпают стенки сосуда ударами; каждый такой удар слишком 
слаб, чтобы его можно было ощутить, но огромное число ударов 
проявляется как постоянное давление. Затем путем рассуждений, неявно опирающихся на законы Ньютона, Д. Бернулли пришел к выводу, что если медленно сжать газ, не изменяя скоростей движения частиц, то давление повысится, так что произведение давления на объем останется постоянным. Именно это соотношение для газа, сжимаемого при постоянной температуре, экспериментально открыл Р. 
Бойль (1627–1691) в 1660 г. Д. Бернулли указал также, что нагревание газа должно приводить к увеличению скорости частиц, а тем самым – к повышению давления вследствие увеличения числа и силы 
ударов частиц о стенки сосуда. Девятью годами позднее аналогичные идеи были высказаны русским ученым М.В. Ломоносовым 
(1711–1765), который дополнительно указал на то, что если верхнего 
предела для скоростей молекул газа, а следовательно, и для температуры в принципе не существует, то нижний предел – нулевая скорость – существует всегда, а значит должен существовать и нижний 
предел температуры, ниже которого ничего нельзя охладить. Ныне 
этот предел называют абсолютным нулем. 
Примечательно, что эти соображения обратили на себя внимание 
лишь 120 лет спустя, а потому ощутимого влияния на становление 
молекулярно-кинетической теории практически не оказали. Вместо 
этого физики и математики на протяжении столетия боролись с ложным представлением Ньютона о взаимном отталкивании всех атомов. 
Необходимо упомянуть одну из самых малоизвестных в истории 
науки фигур – Дж. Уотерсона (1811–1883). Инженер и учитель, Уотерсон опубликовал в 1843 г. довольно неясно написанную книгу, 
прочитанную лишь немногими, в которой изложил некоторые соображения о свойствах газа, состоящего из быстро движущихся молекул. В 1845 г. он представил в Королевское общество подробную 
статью, которая, однако, была отвергнута как непригодная для публикации. По мнению одного из рецензентов, статья Уотерсона – 
«нонсенс, неприемлемый даже для публичного прочтения». Впоследствии Уотерсону удалось все же опубликовать некоторые из 
своих работ, но они остались без внимания. Уотерсон прожил довольно долго и стал свидетелем того, как другие удостаивались похвал и признания за открытия, которые гораздо раньше сделал он 
сам. И все же он не дожил до того времени, когда к тем же выводам 
пришел Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей) в 1891 г., отдавший должное его трудам. 

В 1856 г. к идеям Бернулли ученые вернулись снова. А. Крониг 
(1822–1879), годом позже Клаузиус и в 1860 г. Дж. Максвелл (1831–
1879), великолепно владевший математическим аппаратом, на основе 
законов Ньютона предприняли систематический анализ газа из частиц, слишком малых, чтобы их можно было видеть, и взаимодействующих при участии сил, зависимость которых от расстояния могла быть задана лишь в самом общем виде. Так была заложена основа 
кинетической теории газов, или молекулярно-кинетической теории (в вопрос о природе молекул и их соотношении к структуре вещества внес ясность в начале XIX в. А. Ампер (1775–1836)). Эта теория давала оценки масс молекул, их размеров (около двух-трех стомиллионных сантиметра), среднего расстояния между молекулами в 
газе и в обобщенном виде охватывала все явления, порождаемые 
случайным действием огромного числа частиц. Позже, благодаря 
трудам Л. Больцмана (1844–1906) и Дж. Гиббса (1839–1903), она 
превратилась в науку, известную под названием статистической механики. Больцман показал, что второе начало термодинамики – вывод не более чем статистический. Постепенное разупорядочение во 
Вселенной, аналогично постепенной утрате порядка в первоначально 
упорядоченной колоде игральных карт при многократном ее тасовании, и подобно тому, как карты могут распологаться в исходной последовательности, если колоду перетасовать чудовищно большое 
число раз, так и вся Вселенная в один прекрасный день чисто случайно вернется в то состояние, из которого она когда-то вышла. Гиббсу принадлежит также заслуга создания химической термодинамики, на которой основаны современная теория химических реакций и 
вся химическая промышленность. 
У кинетической теории, равно как и у атомистической гипотезы, 
есть один серьезный недостаток: до тех пор пока поведение молекул 
нельзя будет наблюдать непосредственно, невозможно быть уверенным в правильности этой теории. Никакие подтверждения предсказаний молекулярно-кинетической теории на макроскопическом 
уровне не могут полностью исключить возможность того, что, подобно теории калорической жидкости или ньютоновской теории газа, 
она дает приемлемые с научной точки зрения результаты, исходя из 
неверных посылок. И действительно, еще в 1900 г. такие выдающиеся ученые, как физик Э. Мах (1838–1916) и химик В. Оствальд (1853–
1932), заявляли, что не желают рассматривать атомы иначе как гипотезу, позволяющую объяснять некоторые наблюдаемые явления. Но 
вскоре ситуация резко изменилась.