“工程熱力學(xué)及傳熱學(xué)”教學(xué)中關(guān)于準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和可逆過(guò)程的幾點(diǎn)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(guò)程和可逆過(guò)程之間的聯(lián)系和區(qū)別，加深了對(duì)這兩個(gè)概念的理解，從而更好地解決熱力學(xué)的相關(guān)問(wèn)題。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(chē)服務(wù)工程、熱能與動(dòng)力工程等專(zhuān)業(yè)的必修課程。它是研究熱能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換及熱量傳遞規(guī)律的一門(mén)學(xué)科。作為工科類(lèi)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)也有重大意義。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和可逆過(guò)程是工程熱力學(xué)中的基本概念，弄清這兩個(gè)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(guò)程

1.1 平衡狀態(tài)

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

平衡的本質(zhì)即無(wú)不平衡勢(shì)，包含以下幾個(gè)方面：（1）無(wú)溫差，即無(wú)熱不平衡勢(shì);（2）無(wú)壓差 ，即無(wú)力不平衡勢(shì);（3）無(wú)相變，即無(wú)相不平衡勢(shì);（4）無(wú)化學(xué)反應(yīng)，即無(wú)化學(xué)不平衡勢(shì)。

1.2 熱力過(guò)程

當(dāng)工質(zhì)受到外界影響時(shí)，其所處的平衡狀態(tài)遭到破壞，由一個(gè)狀態(tài)經(jīng)過(guò)一系列中間狀態(tài)變至另一狀態(tài)的過(guò)程，稱(chēng)為熱力過(guò)程，簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)程。

1.3 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程

1.3.1 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的定義

在狀態(tài)變化過(guò)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(yùn)動(dòng)的速度，則狀態(tài)變化過(guò)程的每個(gè)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(wú)限接近平衡狀態(tài)的狀態(tài)組成的過(guò)程，稱(chēng)為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。

1.3.2 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的特點(diǎn)

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是“熱力學(xué)系統(tǒng)在變化時(shí)經(jīng)歷的一種理想過(guò)程，準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的每一個(gè)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(shí)，經(jīng)歷的每一中間狀態(tài)都無(wú)窮接近于平衡態(tài)的熱力過(guò)程。

在準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中，工質(zhì)所經(jīng)歷的每個(gè)狀態(tài)都是平衡狀態(tài)，而任意一個(gè)平衡狀態(tài)都可以用p-v圖上的一點(diǎn)來(lái)表示，所以一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程就可以用p-v圖上一條曲線(xiàn)來(lái)代表。如圖1所示，圖上的曲線(xiàn)1-2就代表一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。如果工質(zhì)由狀態(tài)1’變化到狀態(tài)2’所經(jīng)過(guò)的不是一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，則該過(guò)程無(wú)法在p-v圖上表示，僅可標(biāo)出其1’、2’兩個(gè)平衡狀態(tài)，而其過(guò)程用虛線(xiàn)表示。

實(shí)際的熱力過(guò)程都是在有限的溫差和壓差下進(jìn)行的，都是不平衡過(guò)程。但如果和弛豫時(shí)間相比，熱力過(guò)程進(jìn)行的足夠緩慢，那么系統(tǒng)在實(shí)際過(guò)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(wú)窮多個(gè)勢(shì)差為無(wú)窮小、前后相繼的平衡態(tài)來(lái)描述系統(tǒng)實(shí)際經(jīng)過(guò)的熱力過(guò)程。顯然，準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是實(shí)際過(guò)程的極限，這種極限雖然不可能完全實(shí)現(xiàn)，但可以無(wú)限接近。

1.3.3 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的應(yīng)用

在過(guò)程上，一般如果破壞平衡所用時(shí)間（外部作用時(shí)間）gt;gt;恢復(fù)平衡所用時(shí)間（弛豫時(shí)間），則可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，當(dāng)做準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程處理。一般的工程過(guò)程都可認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，具體工程問(wèn)題具體分析。例如轉(zhuǎn)速n=1500r/min的四沖程內(nèi)燃機(jī)的整個(gè)壓縮沖程的時(shí)間為2€？0-2s，與壓強(qiáng)的弛豫時(shí)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(guò)程進(jìn)行得足夠緩慢，因此可以近似地將它當(dāng)作準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程來(lái)處理。

2 可逆過(guò)程

2.1 可逆過(guò)程的定義

可逆過(guò)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(lái)途徑返回始態(tài)時(shí)，若參與該變化過(guò)程的系統(tǒng)及外界均能完全返回原來(lái)的狀態(tài)，則稱(chēng)該變化過(guò)程為可逆過(guò)程。

2.2 可逆過(guò)程的特點(diǎn)

圖2所示為一由工質(zhì)、熱機(jī)和熱源組成的熱力系。工質(zhì)從熱源T處吸收熱量進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)的膨脹過(guò)程，在p-圖上可用A—1—2—3—4連續(xù)曲線(xiàn)表示，如圖3所示。過(guò)程中，工質(zhì)通過(guò)活塞將一部分能量傳給飛輪，以動(dòng)能的形式貯存于飛輪中。當(dāng)A—4過(guò)程完成以后，若完全利用飛輪所貯存的動(dòng)能推動(dòng)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(guò)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(diǎn)A時(shí)，機(jī)器和熱源也都回復(fù)到了原狀態(tài)，過(guò)程所牽涉到的整個(gè)系統(tǒng)和外界，全部都回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)而不留下任何變化。則A—4這個(gè)熱力過(guò)程就是可逆過(guò)程。

可逆過(guò)程在實(shí)際中其實(shí)并不存在，因?yàn)閷?shí)際過(guò)程中不可避免地會(huì)存在著摩擦作用。在上述的工質(zhì)熱機(jī)和熱源組成的熱力系統(tǒng)中，如果工質(zhì)內(nèi)部或熱機(jī)的部件間存在摩擦，那么當(dāng)工質(zhì)膨脹時(shí)，就會(huì)有一部分能量消耗在摩擦上。同樣，在把工質(zhì)壓縮到原來(lái)狀態(tài)的過(guò)程中，也要多消耗一部分能量來(lái)克服摩擦。因此，在整個(gè)過(guò)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(guò)程是不可逆的。

由此可見(jiàn)，可逆過(guò)程應(yīng)具備以下兩個(gè)特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)可逆過(guò)程后，可以嚴(yán)格地按照原來(lái)的途徑返回到最初的狀態(tài)，因此可逆過(guò)程必然是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。（2）可逆過(guò)程中不存在任何的耗散損失，因此，在按其反過(guò)程返回初態(tài)后，沒(méi)有給外界留下任何的痕跡。

2.3 引入可逆過(guò)程的意義

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是實(shí)際過(guò)程的理想化過(guò)程，但并非最優(yōu)過(guò)程，可逆過(guò)程是最優(yōu)過(guò)程。引入可逆過(guò)程這個(gè)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(lái)計(jì)算。而無(wú)需考慮不知道情況的外界參數(shù)，從而使問(wèn)題簡(jiǎn)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(guò)程的突出優(yōu)點(diǎn)：可逆過(guò)程進(jìn)行的結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生任何能量損失，因而可逆過(guò)程可以作為實(shí)際過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換效果的比較標(biāo)準(zhǔn)和極限。 實(shí)際過(guò)程或多或少地存在著各種不可逆因素，所以實(shí)際過(guò)程都是不可逆的，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)常把實(shí)際過(guò)程當(dāng)作可逆過(guò)程進(jìn)行分析計(jì)算，然后再用一些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)加以修正，這是可逆過(guò)程引入的實(shí)際意義所在。

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

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和可逆過(guò)程既有區(qū)別又有聯(lián)系，準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中，物系要隨時(shí)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(guò)程的實(shí)現(xiàn)。而可逆過(guò)程的實(shí)現(xiàn)則要求過(guò)程沒(méi)有任何不可逆損失。如既無(wú)非平衡損失又無(wú)耗散損失，過(guò)程就是可逆的。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程沒(méi)有非平衡損失，因此是實(shí)現(xiàn)可逆過(guò)程的前提條件，但準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程并不一定就是可逆過(guò)程。比如化學(xué)純氣體在噴管內(nèi)做絕熱穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，垂直于流動(dòng)方向的各截面上氣體的壓力和溫度均勻一致，過(guò)程中氣體狀態(tài)隨時(shí)處于平衡，此時(shí)流動(dòng)是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，不會(huì)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(huì)有流體的宏觀相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于流體的粘性作用，將使氣體的宏觀動(dòng)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(shí)這個(gè)流動(dòng)過(guò)程是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，而不是可逆過(guò)程。反過(guò)來(lái)說(shuō)，可逆過(guò)程則一定是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。

準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的引入只是為了對(duì)系統(tǒng)的熱力過(guò)程進(jìn)行描述，并沒(méi)有涉及到系統(tǒng)與外界功量和熱量的交換。也就是說(shuō)，盡管所有準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程都可以在熱力圖上表示出來(lái)，但準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程在P—V上過(guò)程曲線(xiàn)下的面積由并不代表功。把它稱(chēng)之為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的功是沒(méi)有意義的。那么，可以從理想氣體的兩種絕熱膨脹過(guò)程進(jìn)行分析。一是理想氣體經(jīng)過(guò)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(guò)絕熱可逆膨脹。在這兩個(gè)過(guò)程中，理想氣體初態(tài)相同，在前一個(gè)過(guò)程中因?yàn)榇嬖诤纳ⅲ虼藢⒂胁糠值臋C(jī)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(diǎn)的溫度要高于2點(diǎn)的溫度。如果準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程曲線(xiàn)下面的面積代表功的話(huà)，在這樣的情況下。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程的功要大于可逆過(guò)程的功，我們說(shuō)，這是不符合熱力學(xué)的規(guī)律的，因此，準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程曲線(xiàn)下面的面積并不恒代表功，只有可逆過(guò)程曲線(xiàn)下面的面積才代表功。這是因?yàn)闇?zhǔn)靜態(tài)概念的提出側(cè)重于描述過(guò)程，并沒(méi)有涉及功熱轉(zhuǎn)換，而可逆過(guò)程用于分析外部條件對(duì)能量轉(zhuǎn)換的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(duì)工程機(jī)械也有重大的意義。而準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和可逆過(guò)程是工程熱力學(xué)中兩個(gè)重要的概念，清楚兩者之間的關(guān)系，不僅有助于對(duì)這兩個(gè)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(duì)用熱力學(xué)理論解決機(jī)械工程中的實(shí)際問(wèn)題有很大的幫助。

基金項(xiàng)目：長(zhǎng)沙理工大學(xué)教改項(xiàng)目

參考文獻(xiàn)

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