平衡态和准静态
工程热力学 名词解释
工程热力学名词解释（4×5=20分）1.可逆过程：当系统进行正、反两个过程后，系统与外界均能完全回复到初始状态。
平衡状态：系统在不受外界影响的条件下，如果宏观热力性质不随时间变化，系统内外同时建立了热平衡和力平衡，这是系统的状态称为热力平衡状态，简称平衡状态。
准静态过程：如果造成系统状态改变的不平衡势差无限小，以致该系统在任意时刻均无限接近于某个平衡态，这样的过程称为准静态过程。
状态参数：描述工质状态特性的各种物理量称为工质的状态参数。
2.膨胀功：在压力差作用下，由于系统工质容积发生变化而通过界面向外界传递的机械功。
技术功：热力过程中可被直接利用来做功的能量通称为技术功。
流动功：为推动流体通过控制体界面而传递的机械功，它是维持流体正常流动所必须传递的能量。
轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功。
3.理想气体：分子本身不具有体积、分子间没有作用力的气体称为理想气体。
实际气体：气体的状态处于很高的压力或很低的温度，气体有很高的密度，以致分子本身的体积及分子间的相互作用力不能忽略不计时的气体，称为实际气体。
4.热力学用：闭口系统从给定状态可逆地过渡到与环境状态相平衡，对外所作的最大有用功，称为热力学能用。
焓用：工质流从初态可逆过渡到环境状态，单位质量工质焓降可能做出的最大技术功是工质流的焓用。
热量用：当热源温度T高于环境温度T0时，从热源取得热量Q，通过可逆热机可对外界做出的最大功称为热量用。
冷量用：当热源温度T低于环境温度T0时，在可逆条件下，外界消耗的最小功即为冷量用。
5.闭口系统：没有物质穿过边界的系统。
开口系统：有物质流穿过边界的系统。
绝热系统：系统与外界之间没有热量传递的系统。
孤立系统：系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统。
6.定压比热容：单位质量的物质，在压力不变的条件下，作单位温度变化时相应的焓的变化。
定容比热容：单位质量的物质，在比体积不变的条件下，作单位温度变化时相应的热力学能的变化。
准静态热力学过程
准静态热力学过程
准静态热力学过程是一种热力学系统在过程中足够缓慢地向平衡
态变化的过程，过程中系统的宏观性质始终保持稳定。
在这种过程中，系统可以看作是处于一系列平衡态中，并且在每个平衡态中，系统的
宏观性质可以被准确地测量并被描述。
准静态热力学过程通常可以用来对理想气体的热力学特性进行描述，例如，理想气体的等温膨胀过程就可以近似认为是一个准静态热
力学过程。
在这种过程中，压强随着体积的变化而变化，但是系统的
温度始终保持不变，这是因为在每个平衡态中，系统的温度都被维持
在一个固定的值。
因此，在准静态热力学过程中，系统的温度、压强、体积等宏观性质都可以被精确测量和计算。
总之，准静态热力学过程是热力学领域中一种特殊的过程，其中
的变化足够缓慢，以至于系统的宏观性质始终保持稳定。
通过对这种
过程的研究，可以更加深入地理解热力学理论的相关概念和原理。
热力学基本概念2-平衡态、准静态、几种热力过程
简单可压缩系统的独立变量数
只交换热量和一种准静态的容积变化功
简单可压缩系统：N = n + 1 = 2
The state of a simple compressible system is completely specified by two independent properties
可逆过程的实现
准静态过程
+ 无耗散效应 = 可逆过程 通过摩擦使功 变热的效应 (摩阻，电阻， 非弹性变性， 磁阻等）
无不平衡势差 耗散效应 Dissipative effect 不平衡势差
不可逆根源
工程热力学
耗散效应 irreversibility
Frequently encountered irreversibilities
平衡Equilibrium与稳定Steady
稳定：参数不随时间变化
稳定但存在不平衡势差 去掉外界影响， 则状态变化
若以（热源+铜棒+冷源） 为系统，又如何？
稳定不一定平衡，但平衡一定稳定
工程热力学
平衡Equilibrium与均匀Even
平衡：时间上 均匀：空间上
平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的
工程热力学
A process that can reversed 注意 leaving any trace on the without surroundings. That is, both the 可逆过程只是指可能性，并不 system and the surroundings are 是指必须要回到初态的过程。 returned to their initial states at the end of the reverse process.
第一章,热力学基本规律
一．几个基本概念：1.孤立系，闭系和开系：与其他物质既没有物质交换也没有能量交换的系统叫做孤立系；与外界没有物质交换但有能量交换的系统叫做闭系；与外界既有物质交换也有能量交换的系统叫做开系。
2.平衡态：经验表明，一个孤立系统，不论其初态多么复杂，经过足够长的时间后，将会达到这样的状态，系统的各种宏观性质在长时间内不会发生任何变化，这样的状态称为热力学平衡态。
3.准静态：所谓准静态过程，它是进行的非常缓慢的过程，系统所经历的每一个状态都可以看做是平衡态。
4.可逆过程与不可逆过程：如果一个过程发生后，无论用任何曲折复杂的方法都不可能把它留下的后果完全的消除而使一切恢复原状，这过程称为不可逆过程；反之，如果一个过程发生后，它所产生的影响可以完全消除而令一切恢复原状，这过程称为可逆过程。
5.理想气体：我们把严格遵从玻意耳定律、焦耳定律和阿氏定律的气体称为理想气体。
二．热力学定律1.热平衡定律（即热力学第零定律）：如果物体A和物体B各自与处在同一状态C达到平衡，若令A与进行热接触，他们也将处在热平衡，这个实验事实称为热平衡定律。
2.热力学第一定律：自认界的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，可以从一种形式转化成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体，在传递与转化中能量的数量不变。
第一定律也可以表述称为第一类永动机是不可能制成的。
3.热力学第二定律：1）克氏表述：不可能把热量从低温物理传到高温物体而不引起其他变化。
2）开氏表述：不可能从单一热源吸热使之完全变成有用功而不引起其他变化。
热力学第二定律也可表述为第二类永动机是不可能制成的。
关于热力学第二定律有几点需要说明：在两个表述中所说的不可能，不仅指【1】在不引起其他变化的条件下，直接从单一热源吸热而使之完全变成有用的功，或者直接将热量从低温物体送到高温物体是不可能的。
而且指【2】不论用多么复杂的方法，在全部过程终了时，其最终的唯一后果是从单一热源吸热而将之完全变成有用功，或者热量从低温物体传到高温物体是不可能的。
准静态过程
等温过程 等容过程
等压过程
循环过程
V
二 功（过程量） 宏观运动能量
热运动能量
功是能量传递和转换的量度，它引起系统热运动 状态的变化 . 准静态过程功的计算
dW Fdl pSdl
dW pdV
W V2 pdV V1
注意：作功与过程有关 .
三 热 量（过程量）
通过传热方式传递能量的量度，系统和外界之间
准静态过程 功 热量
一 准静态过程（理想化的过程）
准静态过程：从一个平衡态到另一平衡态所经 过的每一中间状态均可近似当作平衡态的过程 .
砂子 活塞 气体
p
p1 1 ( p1,V1,T1)
p2
பைடு நூலகம்
2 ( p2 ,V2 ,T2 )
o V1 V2 V
准静态过程 Quasi-static process
只有把这种理想而简单的情况搞清楚，才有助 于我们对实际问题 的探讨。下面我们主要研究平衡 态和准静态过程。
程，则： 从 T1
T2 是准静态过程 Quasi-static process
系统T1
如果系统 温度 T1 直接与 热源 T2 接触，最终达到热平衡，则 不是 准静态过程。
T1+△T T1+2△T T1+3△T
P T2
因为状态图中任何一点都表示 系统的一个平衡态，故准静态 过程可以用系统的状态图，如 P-V图（或P-T图，V-T图）中 一条曲线表示，反之亦如此。 o
存在温差而发生的能量传递 .
功与热量的异同 1）过程量：与过程有关；
T1 T2
T1 Q T2
2）等效性：改变系统热运动状态作用相同；
1卡 = 4.18 J ， 1 J = 0.24 卡
准静态过程的三个条件
准静态过程的三个条件准静态过程堪称是理论物理中最基础的概念之一，其在热力学领域、流体力学中都有广泛的应用。
准静态过程是指热力学系统通过外部对其施加缓慢变化外场的过程，处于基本与外部恒态平衡的状态，使系统的热力学性质发生缓慢变化的过程。
然而，准静态过程不是随意发生的，必须满足三个条件：1. 系统处于内部平衡状态要满足准静态过程的第一个条件，就必须使系统不断地处于内部平衡状态。
内部平衡状态是指系统在平衡状态下内部各个部分的物理状态始终相等，而在准静态过程中，系统的温度、压强等物理状态应该随着时间缓慢变化。
因此，在每个时刻，系统内部各部分的物理状态应保持平衡并随着时间的变化呈缓慢变化。
2. 外场变化率很小要实现准静态过程的第二个条件，就需要使外场的变化率很小。
通常，外场变化率较小是指，外场的变化时间远大于系统中的弛豫时间。
弛豫时间是指，系统内的物理过程所需的时间。
弛豫时间随着物理过程的不同而变化，如果外场变化速度大于弛豫时间，系统将无法达到内部平衡状态，从而无法实现准静态过程。
3. 外场的变化是可逆的准静态过程的第三个条件是，外场的变化应该是可逆的。
这一条件非常重要，可逆过程是指，在完全相反的集成模拟下可以恢复原始状态的过程。
一旦外场变化是不可逆的，这意味着系统不再沿同一路径回到原始状态，熵值始终在增加，系统最终会变成混沌状态，这就是不可逆过程的实现。
这三个条件是准静态过程发生的必要条件。
这些条件有些不能完全满足，但可以接近满足。
热力学过程的准静态过程应该是平衡过程和非平衡过程的结合，热力学的理论建立在研究系统在平衡态下的宏观行为，而准静态过程是将热力学中的平衡态和非平衡态联系在一起的桥梁。
因此，在实际应用中，研究准静态过程，特别是在非平衡态下研究准静态过程，是十分重要的。
热力学第一定律
热 力 学第一章 热力学第一定律§1 热力学第一定律 一.准静态过程系统的状态发生变化时—系统在经历一个过程。
过程进行的任一时刻，系统的状态并非平衡态.热力学中，为能利用平衡态的性质，引入准静态过程的概念。
性质：1.准静态过程：是由无数个平衡态组成的过程即系统的每个中间态都是平衡态。
2.准静态过程是一个理想化的过程，是实际过程的近似。
实际过程仅当进行得无限缓慢时才可看作是准静态过程 。
·拉动活塞，使系统由平衡态1 →状态2，过程中系统内各处的密度(压强、温度)并不完全相同，要过一会儿时间，状态 2才能达到新的平衡。
所以，只有过程进行得无限缓慢，每个中间态才可看作是平衡态。
☆怎样判断“无限缓慢”？弛豫时间τ：系统由非平衡态到平衡态所需时间。
准静态过程条件： ∆t 过程进行 >> τ例如，实际汽缸的压缩过程可看作准静态过程， ∆t 过程进行 = 0.1秒τ = 容器线度/分子速度= 0.1米/100米/秒 = 10-3秒3.过程曲线：准静态过程可用P －V 图上 一条线表示。
状态1状态2二.功、内能、热量1.功 ·通过作功可以改变系统的状态。
·机械功(摩擦功、体积功)2.内能·内能包含系统内：(1)分子热运动的能量；(2)分子间势能和分子内的势能；(3)分子内部、原子内部运动的能量； (4)电场能、磁场能等。
·内能是状态的函数*对于一定质量的某种气体，内能一般是T 、V 或P 的函数； *对于理想气体，内能只是温度的函数 E = E (T )*对于刚性理想气体分子, i ：自由度； ν ：摩尔数 ·通过作功改变系统内能的实质是：分子的有规则运动能量和分子的无规则运动能量的转化和传递。
3.热量·传热也可改变系统的状态，其条件是系统和外界的温度不同。
·传热的微观本质：是分子的无规则运动能量从高温物体向低温物体传递。
准静态过程
dQ C ( T T ) CV 热量 Q V V 2 1 dT V
•等压过程：引入等压摩尔热容CP，表示在等压过程 中，1 mol 气体升高单位温度所吸收的热量。
dQ C ( T T ) CP P P 2 1 热量 Q dT P 规定： 系统吸热：Q 系统放热：Q 放 0 吸 0
9
4
三、功
i 微小变化： dE RdT 2
1. 气体系统作功是通过改变气体体积来完成的。
例如：气缸内的气压大于外界大气压，气体膨胀推 动气缸活塞对外作功。 活塞与汽缸无摩擦，当气体作 准静态压缩或膨胀时，外界的压强 Pe必等于此时气体的压强P ，否则 P 系统在有限压差作用下，将失去平 衡，称为非静态过程。 若有摩擦力存在，虽然也可使过程进行的无限缓 慢，但也不是准静态过程。
V 1
V 2
P
2
V1
o
V 1 dV
V2
V
6
注意： 功的大小不仅取决于系 统的始末状态，且与系统 经历的过程有关。 12与11’2两个过程 的始末状态相同，但过程 曲线不同，两条曲线下的 面积不同，则作功也不同。 • 特殊：
P
1
1'
2
o
V1
V2
V
功是过程量
等容过程：A等容=0
等压过程：A等压= P(V2-V1) （不一定是准静态过程）
2
准静态过程只有在进行的 “ 无限缓慢 ” 的条件 下才可能实现。实际过程则要求系统状态发生变化的 特征时间远远大于弛豫时间τ 才可近似看作准静态过 程。 对于一个平衡态，我们可以用状态参量来描述。 作为准静态过程中间状 P A 态的平衡态，具有确定的状 态参量值。 对 于 简 单 系 统 可 用 P —V 图 过程曲线 上的一点来表示这个平衡态 。 B 系统的准静态变化过程可用 P— o V图上的一条曲线表示。 V 非准静态过程不能用状态图上的一条曲线来表示。 准静态过程是一种理想的极限，但作为热力学 的基础，我们要着重讨论它。 3
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定义：在不受外界影响的条件下，对 一个孤立系统，经过足够长的时间后， 系统达到一个宏观性质不随时间变化 的状态
用一组统一的宏观量描述状态
P
T
P1 T1
P2 T2
非平衡态
平衡态是热学中的一个理想化模型 实际上的处理：
⑴是否可看作平衡态？
时间足够长，不受外界影响
⑵实在不行可以分小块 ⑶远离平衡态：非线性，耗散结构 我们主要研究平衡态的热学规律
分子数越多，涨落就越小
准静态过程 每一时刻系统都处于平衡态 实际过程的理想化——无限缓 慢 (准 ) “无限缓慢”：系统变化的过程 时间>>驰豫时间
例 气体的准静态压缩
过程时间 ~ 1 秒
3 驰豫 10 s < 时间
例 准静态传热
T2 T1 nT
T1
T1
热库 T1 T
理想气体 宏观定义：严格遵守气体三定律（波 义尔-马略特定律、查理定律、盖-吕 萨克定律） 理想气体温标 实际气体理想化：P 不太高 T 不太低 若不满足上述条件： 在理想气体理论基础上加以修正
非静态过程
T2
T 1n 1T
热库 T1 nT
T1 T
热库
T1 2T
每一微小过程均是平衡过程
描写平衡态的宏观物理量称为物态参 量（态参量） 例如：气体的 P、V、T 一组态参量
描述
对应
一个平衡态
态参量之间的函数关系称为物态 方程 f ( P ,V , T ) 0
注意区分平衡态与稳定态：
Байду номын сангаас绝热壁
系统
平衡态
恒温器1 绝热壁
系统
恒温器2
T1
T2
稳定态
1. 动态平衡 处在平衡态的大量分子仍在作热运 动，而且因为碰撞，每个分子的速 度经常在变 但是系统的宏观量不随时间改变 ——动态平衡状态
2. 涨落 处在平衡态的系统的宏观量 (例如压强 P )，不随时间改变
不能保证任何时刻大量分子撞击器壁的 情况完全一样 ——涨落现象