“工程熱力學(xué)及傳熱學(xué)”教學(xué)中關(guān)于準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程的幾點思考

摘 要 本文分析了工程熱力學(xué)及傳熱學(xué)中準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程之間的聯(lián)系和區(qū)別，加深了對這兩個概念的理解，從而更好地解決熱力學(xué)的相關(guān)問題。

關(guān)鍵詞 工程熱力學(xué) 準(zhǔn)靜態(tài)過程 可逆過程

中圖分類號：G424 文獻標(biāo)識碼：A " DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.04.059

Reflections on Teaching Reform about the Course of Engineering

Thermodynamics and Heat Transfer

WU Hequan， LIU Zhihong

（College of Automotive and Mechanical Engineering，

Changsha University of Science and Technology， Changsha， Hu'nan 410114）

Abstract This paper analyzes the relationship and difference between the quasi-static process and reversible process in the course of engineering thermodynamics and heat transfer. It has enhanced the understanding of these concepts， in order to deal with the issues related to thermodynamics better.

Key words engineering thermodynamics; quasi static process; reversible process

0 引言

“工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)”是汽車服務(wù)工程、熱能與動力工程等專業(yè)的必修課程。它是研究熱能與機械能相互轉(zhuǎn)換及熱量傳遞規(guī)律的一門學(xué)科。作為工科類的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，對機械工程專業(yè)也有重大意義。準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程是工程熱力學(xué)中的基本概念，弄清這兩個概念在本學(xué)科的學(xué)習(xí)中顯得尤為重要。

1 準(zhǔn)靜態(tài)過程

1.1 平衡狀態(tài)

在不受外界影響的條件下（重力場除外），如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化，則該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。

平衡的本質(zhì)即無不平衡勢，包含以下幾個方面：（1）無溫差，即無熱不平衡勢;（2）無壓差 ，即無力不平衡勢;（3）無相變，即無相不平衡勢;（4）無化學(xué)反應(yīng)，即無化學(xué)不平衡勢。

1.2 熱力過程

當(dāng)工質(zhì)受到外界影響時，其所處的平衡狀態(tài)遭到破壞，由一個狀態(tài)經(jīng)過一系列中間狀態(tài)變至另一狀態(tài)的過程，稱為熱力過程，簡稱過程。

1.3 準(zhǔn)靜態(tài)過程

1.3.1 準(zhǔn)靜態(tài)過程的定義

在狀態(tài)變化過程中，若平衡狀態(tài)每一次被破壞后都離平衡狀態(tài)非常近，而狀態(tài)變化的速度又遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工質(zhì)內(nèi)部分子運動的速度，則狀態(tài)變化過程的每個瞬間，工質(zhì)都可以認(rèn)為是處于平衡狀態(tài)。這種由一系列內(nèi)平衡狀態(tài)所組成的即由無限接近平衡狀態(tài)的狀態(tài)組成的過程，稱為準(zhǔn)靜態(tài)過程。

1.3.2 準(zhǔn)靜態(tài)過程的特點

準(zhǔn)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(zhǔn)靜態(tài)過程的每一個中間狀態(tài)都處于平衡態(tài)”。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。

在準(zhǔn)靜態(tài)過程中，工質(zhì)所經(jīng)歷的每個狀態(tài)都是平衡狀態(tài)，而任意一個平衡狀態(tài)都可以用p-v圖上的一點來表示，所以一個準(zhǔn)靜態(tài)過程就可以用p-v圖上一條曲線來代表。如圖1所示，圖上的曲線1-2就代表一個準(zhǔn)靜態(tài)過程。如果工質(zhì)由狀態(tài)1’變化到狀態(tài)2’所經(jīng)過的不是一個準(zhǔn)靜態(tài)過程，則該過程無法在p-v圖上表示，僅可標(biāo)出其1’、2’兩個平衡狀態(tài)，而其過程用虛線表示。

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，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，準(zhǔn)靜態(tài)過程是實際過程的極限，這種極限雖然不可能完全實現(xiàn)，但可以無限接近。

1.3.3 準(zhǔn)靜態(tài)過程的應(yīng)用

在過程上，一般如果破壞平衡所用時間（外部作用時間）gt;gt;恢復(fù)平衡所用時間（弛豫時間），則可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過程，當(dāng)做準(zhǔn)靜態(tài)過程處理。一般的工程過程都可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過程，具體工程問題具體分析。例如轉(zhuǎn)速n=1500r/min的四沖程內(nèi)燃機的整個壓縮沖程的時間為2€？0-2s，與壓強的弛豫時間（壓力波恢復(fù)平衡速度接近聲速，約為350 m/s）相比，可以認(rèn)為這一過程進行得足夠緩慢，因此可以近似地將它當(dāng)作準(zhǔn)靜態(tài)過程來處理。

2 可逆過程

2.1 可逆過程的定義

可逆過程是指當(dāng)系統(tǒng)由始態(tài)變化到終態(tài)，又由終態(tài)沿原來途徑返回始態(tài)時，若參與該變化過程的系統(tǒng)及外界均能完全返回原來的狀態(tài)，則稱該變化過程為可逆過程。

2.2 可逆過程的特點

圖2所示為一由工質(zhì)、熱機和熱源組成的熱力系。工質(zhì)從熱源T處吸收熱量進行準(zhǔn)靜態(tài)的膨脹過程，在p-圖上可用A—1—2—3—4連續(xù)曲線表示，如圖3所示。過程中，工質(zhì)通過活塞將一部分能量傳給飛輪，以動能的形式貯存于飛輪中。當(dāng)A—4過程完成以后，若完全利用飛輪所貯存的動能推動活塞逆行，使工質(zhì)從狀態(tài)4沿原路徑4—3—2—1—A壓縮回到狀態(tài)A。并且在壓縮過程中，工質(zhì)恰好又把同等熱量放回給熱源T。當(dāng)工質(zhì)回復(fù)到原狀態(tài)點A時，機器和熱源也都回復(fù)到了原狀態(tài)，過程所牽涉到的整個系統(tǒng)和外界，全部都回復(fù)到原來狀態(tài)而不留下任何變化。則A—4這個熱力過程就是可逆過程。

可逆過程在實際中其實并不存在，因為實際過程中不可避免地會存在著摩擦作用。在上述的工質(zhì)熱機和熱源組成的熱力系統(tǒng)中，如果工質(zhì)內(nèi)部或熱機的部件間存在摩擦，那么當(dāng)工質(zhì)膨脹時，就會有一部分能量消耗在摩擦上。同樣，在把工質(zhì)壓縮到原來狀態(tài)的過程中，也要多消耗一部分能量來克服摩擦。因此，在整個過程結(jié)束后，工質(zhì)回到了原狀態(tài)，但外界失去了一部分能量而并未回到原狀態(tài)。所以，該過程是不可逆的。

由此可見，可逆過程應(yīng)具備以下兩個特點：（1）系統(tǒng)經(jīng)歷一個可逆過程后，可以嚴(yán)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(zhǔn)靜態(tài)過程。（2）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。

2.3 引入可逆過程的意義

準(zhǔn)靜態(tài)過程是實際過程的理想化過程，但并非最優(yōu)過程，可逆過程是最優(yōu)過程。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)換效果的比較標(biāo)準(zhǔn)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。

3 準(zhǔn)靜態(tài)過程與可逆過程的聯(lián)系和區(qū)別

準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程既有區(qū)別又有聯(lián)系，準(zhǔn)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(zhǔn)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。如既無非平衡損失又無耗散損失，過程就是可逆的。準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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，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(zhǔn)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(zhǔn)靜態(tài)過程。

準(zhǔn)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(zhǔn)靜態(tài)過程都可以在熱力圖上表示出來，但準(zhǔn)靜態(tài)過程在P—V上過程曲線下的面積由并不代表功。把它稱之為準(zhǔn)靜態(tài)過程的功是沒有意義的。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(zhǔn)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4所示。2’點的溫度要高于2點的溫度。如果準(zhǔn)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(zhǔn)靜態(tài)過程的功要大于可逆過程的功，我們說，這是不符合熱力學(xué)的規(guī)律的，因此，準(zhǔn)靜態(tài)過程曲線下面的面積并不恒代表功，只有可逆過程曲線下面的面積才代表功。這是因為準(zhǔn)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。

4 結(jié)束語

工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)是研究能量轉(zhuǎn)換規(guī)律和熱能傳遞規(guī)律的學(xué)科，對工程機械也有重大的意義。而準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程是工程熱力學(xué)中兩個重要的概念，清楚兩者之間的關(guān)系，不僅有助于對這兩個基本概念的準(zhǔn)確理解，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，對用熱力學(xué)理論解決機械工程中的實際問題有很大的幫助。

基金項目：長沙理工大學(xué)教改項目

參考文獻

[1] 李岳林，劉志強，武和全.工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)[M].北京：人民交通出版社，2013.

[2] 蘇長蓀.高等工程熱力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1996.