解析準靜態(tài)過程和可逆過程

【摘要】本文對經(jīng)典熱力學(xué)中兩個重要概念——準靜態(tài)過程和可逆過程進行了分析，剖析了準靜態(tài)過程和可逆過程之間的聯(lián)系和區(qū)別，有助于對兩個概念的正確理解，運用這兩個概念解決熱力學(xué)的問題。

【關(guān)鍵詞】準靜態(tài)過程可逆過程

【中圖分類號】O414.1【文獻標識碼】A【文章編號】1006-9682(2009)12-0069-02

準靜態(tài)過程和可逆過程是熱力學(xué)中的兩個很重要的概念。目前國內(nèi)很多教材對這兩個概念并不加以明顯的區(qū)分，很多文獻直接冠以準靜態(tài)過程的功、熱量的說法。對這兩個熱力學(xué)過程，筆者有一些自己的看法，在這里和同行們進行共同的探討。

一、準靜態(tài)過程的定義

就熱力系本身而言，熱力學(xué)僅對平衡狀態(tài)進行描述，“平衡”就意味著宏觀是靜止的;而要實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，熱力系又必須通過狀態(tài)的變化即過程來完成，“過程”就意味著變化，意味著平衡被破壞?！捌胶狻焙汀斑^程”這兩個矛盾的概念怎樣統(tǒng)一起來呢?這就需要引入準平衡過程。[1]

《中國大百科全書》(物理卷)中這樣定義準靜態(tài)過程:[2]準靜態(tài)過程是“熱力學(xué)系統(tǒng)在變化時經(jīng)歷的一種理想過程，準靜態(tài)過程的每一個中間狀態(tài)都處于平衡態(tài)”?；蛘呖梢愿鞔_的定義:熱力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時，經(jīng)歷的每一中間狀態(tài)都無窮接近于平衡態(tài)的熱力過程稱為準靜態(tài)過程。

盡管實際的熱力過程都是在有限的溫差和壓差下進行的，都是不平衡過程。但如果和弛豫時間相比，熱力過程進行的足夠緩慢的話，那么系統(tǒng)在實際過程中所經(jīng)歷的狀態(tài)都十分接近于平衡態(tài)，以至我們可用無窮多個勢差為無窮小，前后相繼的平衡態(tài)來描述系統(tǒng)實際經(jīng)過的熱力過程。顯然，這是一種理想化了的過程，但是這種與實際偏離、被理想化了的方法，為經(jīng)典熱力學(xué)描述系統(tǒng)經(jīng)歷的實際變化過程提供了可能，使得狀態(tài)變化能夠在熱力性質(zhì)圖上用熱力過程曲線來描述。因此，準靜態(tài)過程是經(jīng)典熱力中一類極為重要的過程。[3]

二、可逆過程的定義

可逆過程是熱力學(xué)中從另一個角度定義的一類理想過程?！吨袊蟀倏迫珪?物理卷)對其這樣定義:“一個系統(tǒng)由某個狀態(tài)出發(fā)經(jīng)過某一過程達到另一狀態(tài)，如果存在另一過程，能使系統(tǒng)回到原來的狀態(tài)，同時消除了原來的過程對外界所引起的一切影響，則原來的過程就稱為可逆過程”。

上述定義實際上包含了兩方面的意義。因為定義中的初態(tài)和終態(tài)是任意的，所以定義的第一個意義是系統(tǒng)經(jīng)歷一個可逆過程后，可以嚴格地按照原來的途徑返回到最初的狀態(tài)，因此可逆過程必然是準靜態(tài)過程。該定義的另外一個意義是，可逆過程中不存在任何的耗散損失，因此，在按其反過程返回初態(tài)后，沒有給外界留下任何的痕跡。

引入可逆過程這個概念后，系統(tǒng)與外界功量和熱量的交換能用系統(tǒng)的參數(shù)來計算，而無需考慮不知道情況的外界參數(shù)，從而使問題簡化，而只需要把注意力放在系統(tǒng)，即系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)及狀態(tài)的變化描述上，這正是可逆過程的突出優(yōu)點;可逆過程進行的結(jié)果不會產(chǎn)生任何能量損失，因而可逆過程可以作為實際過程中能量轉(zhuǎn)換效果比較的標準和極限;實際過程或多或少地存在著各種不可逆因素，所以實際過程都是不可逆的，為簡便起見常把實際過程當(dāng)作可逆過程進行分析計算，然后再用一些經(jīng)驗系數(shù)加以修正，這是可逆過程引入的實際意義所在。

三、準靜態(tài)過程和可逆過程聯(lián)系和區(qū)別

準靜態(tài)過程和可逆過程既有區(qū)別又有聯(lián)系，這要從兩者的實現(xiàn)條件談起。我們說，準靜態(tài)過程中，物系要隨時具有力、熱和化學(xué)的平衡，即處于完全平衡中，這樣才能保證準靜態(tài)過程的實現(xiàn)。而可逆過程的實現(xiàn)則要求過程沒有任何不可逆損失。不可逆損失可分為非平衡損失和耗散損失兩大類，非平衡損失是由物系的非平衡態(tài)所引起的，其中包括力、熱的和化學(xué)的不平衡損失。從這里可以看出，準靜態(tài)過程沒有不平衡損失。而耗散損失是因為機械摩擦阻力、流體粘性阻力以及電阻、磁阻等的作用產(chǎn)生的不可逆損失。對于不涉及電磁等其它現(xiàn)象的熱功轉(zhuǎn)換而言，最重要的不可逆損失是物系做宏觀運動時產(chǎn)生的粘性摩擦生熱。就熱力學(xué)而言，耗散損失是一種和物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的不可逆損失。有無非平衡損失取決于系統(tǒng)的狀態(tài)是否平衡，而有無耗散損失，損失的大小則視物性而定。

綜上所述，如既無非平衡損失又無耗散損失，過程就是可逆的。準靜態(tài)過程沒有非平衡損失，因此是實現(xiàn)可逆過程的前提條件，但準靜態(tài)過程并不一定就是可逆過程。比如化學(xué)純氣體在噴管內(nèi)做絕熱穩(wěn)定流動時，垂直于流動方向的各截面上氣體的壓力和溫度均勻一致，過程中氣體狀態(tài)隨時處于平衡，此時流動是準靜態(tài)過程，不會有非平衡損失出現(xiàn)。但同一截面上氣體的流速并不相等，流束中心的流速大于臨近管壁處的流速，因而會有流體的宏觀相對運動。由于流體的粘性作用，將使氣體的宏觀動能一部分轉(zhuǎn)化為熱能而產(chǎn)生粘性摩擦生熱的損失。這時這個流動過程是準靜態(tài)過程，而不是可逆過程。反過來說，可逆過程則一定是準靜態(tài)過程。

準靜態(tài)過程和可逆過程的區(qū)別還在于，準靜態(tài)過程的引入只是為了對系統(tǒng)的熱力過程進行描述，并沒有涉及到系統(tǒng)與外界功量和熱量的交換。也就是說，盡管所有準靜態(tài)過程都可以在熱力圖上表示出來，但準靜態(tài)過程在p-v上過程曲線下的面積∫pdv并不代表功，把它稱之為準靜態(tài)過程的功是沒有意義的。[4]那么，可以從理想氣體的兩種絕熱膨脹過程進行分析。一是理想氣體經(jīng)過絕熱的準靜態(tài)的膨脹，但存在耗散損失;另外一種是理想氣體經(jīng)過絕熱可逆膨脹。在這兩個過程中，理想氣體初態(tài)相同，在前一個過程中因為存在耗散，因此將有部分的機械能轉(zhuǎn)化為理想氣體的內(nèi)能，因此其終態(tài)溫度要高于第二種情況，表現(xiàn)在圖上則如圖1所示，2′點的溫度要高于2點的溫度。如果準靜態(tài)過程曲線下面的面積代表功的話，在這樣的情況下，準靜態(tài)過程的功要大于可逆過程的功(圖1中12′3′′31的面積大于123′31的面積)，我們說，這是不符合熱力學(xué)的規(guī)律的，因此，準靜態(tài)過程曲線下面的面積∫pdv并不恒代表功，只有可逆過程曲線下面的面積∫pdv才代表功。這是因為準靜態(tài)概念的提出側(cè)重于描述過程，并沒有涉及功熱轉(zhuǎn)換，而可逆過程用于分析外部條件對能量轉(zhuǎn)換的影響。

圖1準靜態(tài)過程和可逆過程絕熱過程線

四、結(jié)束語

準靜態(tài)過程和可逆過程是經(jīng)典熱力中兩個重要的概念，搞清楚兩者之間的真正關(guān)系，不僅有助于對熱力中兩個基本概念的準確理解，澄清涉及這兩個概念的一些不正確的習(xí)慣觀點，而且能明確揭示不平衡自發(fā)趨于平衡現(xiàn)象與熵增現(xiàn)象之間的必然聯(lián)系，對我們用熱力學(xué)理論解決實際問題有很大的幫助。

參考文獻

1 蘇長蓀.高等工程熱力學(xué)[M].高等教育出版社，1996:32

2 楊本洛.經(jīng)典熱力學(xué)中若干基本概念的探討[M].科學(xué)出版社，1996:104～105

3 阿力甫沙吾提.熱力學(xué)準靜態(tài)過程的教學(xué)研究[J].新疆師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006(25)4:103～105

4 劉玉萍.準靜態(tài)過程的功初探[J].和田師范?？茖W(xué)校學(xué)報，2006(27)4:204