解析准静态过程和可逆过程
热力学第一定律
例4.3 P.183
已知T1 =300 K, p2/p1 =10和p2 /p1 =100，则T=?
m x x=0(平衡位置)
例4.4 P.184
Q是系统所吸收的能量，W是外界对系统所
U2U1QW作的功
d U d Q d或 W d Q d U pd V
热力学第一定律12
一、定体热容与内能
定体比热容cv ，定压比热容cp
p
b
d
定体摩尔热容Cv,m, 定压摩尔热容 Cp,m
c
a
e
等体过程a—b, dV=0
T+dT
T
(ΔQ)v = ΔU
0 V
c V lT i0( m m Q T )V lT i0 (m T u)V ( T u)V
三、可逆与不可逆过程
系统从初态出发经历某一过程变到末态，若可以找到一个能使系统和外界都复原的过程（这时系统回到 初态，对外界也不产生任何影响），则原过程是可逆的。若总是找不到一个能使系统与外界同时复原的过程， 则原过程是不可逆的。
例如：气体向真空自由膨胀就是一个不可逆过 程。
判断条件
真空
•系统回到初态 •对外界也不产生任何影响
一、理想气体内能
热力学第一定律12 1、自由膨胀过程
C
A
B
焦耳实验 理想气体宏观特性：
U1 (T1 ,V 1) =U2 (T2 ,V2)=常量
证明：理想气体内能仅是状态的函数，与体积 无关，称为焦耳定律
满足pV=νRT关系；满足道尔顿分压定律； 满足阿伏加德罗定律；满足焦耳定律U=U(T)。
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.
可逆过程与准静态过程的关系
pv RgT
pV mRgT
pV nRT
p Pa N/m2 v m3/kg T K
Rg —气体常数 R—通用气体常数
J/(kg K)
R 8.3145J/(mol K)
摩尔质量 R MRg
26/48
（2）实际气体的状态方程
v6
T2
v3
维里型方程
z
pv RgT
1
B v
C v2
D v3
1 B' p C' p2
28/48
4. 状态参数坐标图
一简单可压缩系只有两个独立参数，所以 可用平面坐标上一点确定其状态，反之任一状 态可在平面坐标上找到对应点，如：
p
p1 1
T
T2
21/48
6. 比体积和密度
比体积
密度
v V 单位质量工质的体积 m3/kg
m
m
V
单位体积工质的质量
kg/m3
两者关系:
v
1
22/48
1-4 平衡状态
1. 平衡状态
定义：无外界影响系统保持状态参数不随时间而改变 的状态
•热平衡： 在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外
界 处处温度相等。 •力平衡： 在无外界作用的条件下，系统内部、系统与外 界处处压力相等。 •热力平衡的充要条件 —系统同时达到热平衡和力平衡。
讨论： 1）系统平衡与均匀
2）平衡与稳定
— 平衡可不均匀
— 稳定未必平衡 24/48
2. 状态公理
n f 1
n—系统独立的状态参数数； f—系统与外界交换功形式数。 简单可压缩系与外界仅有容积变化功一种形式
第三讲：热力学基本概念2-平衡态、准静态、几种热力过程
状态公理：对组元一定的闭口系， 独立状态参数个数 N=n+1
工程热力学
状态公理 State postulate l
闭口系： 不平衡势差 状态变化 能量传递 消除一种 达到某一 消除一种能量 不平衡势差 方面平衡 传递方式 而不平衡势差彼此独立 独立参数数目N=不平衡势差数 =能量转换方式的数目 =各种功的方式+热量= n+1 n 容积变化功、电功、拉伸功、表面张力功等
p
工程热力学
p外 dl
W = pA dl =pdV 1kg工质 w =pdv
准静态过程的容积变化功
mkg工质：W =pdV 1kg工质：w =pdv
W pdV
1
2
w pdv
1
2
p 1 工程热力学 2
p外
注意： 上式仅适用于 准静态过程
示功图indicator (p-V) diagram g
工程热力学
准静态过程的工程条件
破坏平衡所需时间 （外部作用时间） 外部作用时间
>>
恢复平衡所需时间 （驰豫时间） 驰豫时间
Relaxation time
有足够时间恢复新平衡 准静态过程
工程热力学
准静态过程的工程应用
例：活塞式内燃机 2000转/分 曲柄 2冲程/转，0.15米/冲程 活塞运动速度=20002 0.15/60=10 m/s 压力波恢复平衡速度（声速）350 m/s 破坏平衡所需时间 （外部作用时间） 外部作
p v R gT
pV mRgT
pV nRT
T K
摩尔质量
2 3 p Pa N/m v m /kg
准静态热力学过程
准静态热力学过程热力学过程是指物质由一个状态变为另一个状态的过程，而准静态热力学过程是指在此过程中物质的每一个中间状态都可以近似看作平衡态。
这种过程可以用于研究热力学系统的性质与特性，为我们理解物质的热力学行为提供了重要的参考依据。
1. 热力学基本概念回顾在讨论准静态热力学过程之前，我们先回顾一下一些热力学的基本概念：系统、状态、过程、平衡等。
•系统：指将研究对象从周围环境中分离出来研究的部分，可以是封闭系统、开放系统或孤立系统。
•状态：指系统所具有的一组确定的宏观性质的集合，如压力、温度、体积等。
•过程：指系统从一个状态变为另一个状态的演化过程。
•平衡：指热力学系统的某个状态与周围环境没有任何差别，即系统处于静止状态。
2. 准静态过程与非准静态过程的区别在热力学中，准静态过程是指系统的每个中间状态都可以近似看作平衡态的过程。
而非准静态过程则是指系统的中间状态不能近似看作平衡态的过程。
准静态过程与非准静态过程的主要区别在于过程中的热力学状态变化的速度。
在准静态过程中，系统的变化速度非常缓慢，使得系统在每一个中间状态都有足够的时间达到平衡。
而在非准静态过程中，系统的变化速度较快，使得系统无法达到平衡态。
准静态过程的特点包括：•系统内部各点温度、压力等宏观性质基本相等；•系统与外界之间处于无限接近平衡的状态，能够实现最大的功输出。
非准静态过程的特点包括：•系统内部各点温度、压力等宏观性质存在差异；•系统与外界之间存在较大的非平衡状态，能够实现的功输出较小。
对于实际系统，准静态过程是一个理想化的过程，因为真实系统难以达到无限接近平衡的状态，但准静态过程的概念仍然对热力学的研究有重要的指导意义。
3. 热力学第一定律与准静态过程热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的体现。
对于一个封闭系统，在准静态过程中，热力学第一定律可以写作：ΔU=Q−W其中，ΔU表示系统内能的变化，Q表示系统吸收的热量，W表示系统对外界做的功。
工程热力学名词解释
工程热力学名词解释专题注：参考哈工大的工程热力学和西交大的工程热力学第一章——基本概念1、闭口系统：热力系与外界无物质交换的系统。
2、开口系统：热力系与外界有物质交换的系统。
3、绝热系统：热力系与外界无热量交换的系统。
4、孤立系统：热力系与外界有热量交换的系统。
5、热力平衡状态：热力系在没有外界作用的情况下其宏观性质不随时间变化的状态。
6、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7、热力循环：热力系从某一状态开始，经历一系列中间状态后，又回复到原来状态。
8、系统储存能：是指热力学能、宏观动能、和重力位能的总和。
9、热力系统：根据所研究问题的需要，把用某种表面包围的特定物质和空间作为具体指定的热力学的研究对象，称之为热力系统。
第二章——热力学第一定律1、热力学第一定律：当热能与其他形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。
或者，第一类永动机是不可能制成的。
2、焓：可以理解为由于工质流动而携带的、并取决于热力状态参数的能量，即热力学能与推动功的总和。
3、技术功：技术上可资利用的功，是稳定流动系统中系统动能、位能的增量与轴功三项之和4、稳态稳流：稳定流动时指流道中任何位置上的流体的流速及其他状态参数都不随时间而变化流动。
第三章——热力学第二定律1、可逆过程：系统经过一个过程后，如果使热力系沿原过程的路线反向进行并恢复到原状态，将不会给外界留下任何影响。
2、热力学第二定律：克劳修斯表述：不可能把热从低温物体转移到高温物体而不引起其他变化。
开尔文普朗克表述：不可能从单一热源吸热而使之全部转变为功。
3、可用能与不可用能：可以转变为机械功的那部分热能称为可用能，不能转变为机械功的那部分热能称为不可用能。
4、熵流：热力系和外界交换热量而导致的熵的流动量5、熵产：由热力系内部的热产引起的熵的产生。
6、卡诺定理:工作再两个恒温热源（1T 和2T ）之间的循环，不管采用什么工质，如果是可逆的，其热效率均为121T T ，如果不是可逆的，其热效率恒小于121T T 。
3 循环过程解读
1 循环过程
热力学系统经历了一系列热力学过程后 又回到初始状态，这个过程为循环过程。 循环过程的重要特征： E 0 如果循环过程中各个分过 程都是准静态过程，这个 过程为准静态循环过程。
P
1 2
V1
准静循环过程可以在状态 图上用一个闭合曲线表示。 o
V2
V
循环曲线所包围的面积为系统做的净功。
1→2 等温膨胀过程， 吸热 Q1 = A= RT1 ln(V2/V1)
P
1
Q1
绝热
4
2 等温T1
绝热
3→4 等温压缩过程， 放热的大小为 Q2= RT2 ln(V3/V4)
1
Q2
3
等温T2 V
V1 V4 V2 V3
1
1、4两点在同一绝热线上, T1V1 T2V4 2、3两点在同一绝热线上, T V 1 T V 1 1 2 2 3 得
高温热源T1
Q1
热机效率
A Q1 Q2 Q1 Q1
热机
Q2
A
热机效率通常用百分数来表示 如果从高温源吸取的热量转变 成功越多，则热机效率就越大。
低温热源T2
逆循环
循环曲线逆时针，这 种循环叫做逆循环。 逆循环能量转化特征： 系统吸热，对外做正功； 返回时，系统放热，对外 做负功；循环面积为负值。 逆循环对应致冷机循环
Q1
致冷机
Q2
低温热源T2 室内
A
例1 燃烧汽油的四冲程内燃机 中进行的循环过程叫奥托循环。
这一过程不是同一工质反 复进行的循环，但在理论 P 上研究这一过程的能量转 化时，总是用一定量的理 想气体的下述准静态循环 过程来代替：两条绝热线 和两条等容线构成准静态 循环过程。 证明：奥托机效率为：
“工程热力学及传热学”教学中关于准静态过程和可逆过程的几点思考
“工程热力学及传热学”教学中关于准静态过程和可逆过程的几点思考作者：武和全刘志宏来源：《科教导刊》2015年第11期摘要本文分析了工程热力学及传热学中准静态过程和可逆过程之间的联系和区别，加深了对这两个概念的理解，从而更好地解决热力学的相关问题。
关键词工程热力学准静态过程可逆过程中图分类号：G424 文献标识码：A ; DOI：10.16400/ki.kjdkz.2015.04.059Reflections on Teaching Reform about the Course of EngineeringThermodynamics and Heat TransferWU 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 process0 引言“工程热力学与传热学”是汽车服务工程、热能与动力工程等专业的必修课程。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
解析准静态过程和可逆过程
发表时间：2010-06-18T11:21:11.530Z 来源：《中外教育研究》2009年第12期供稿作者：李晓明李彦军张国磊宋福元[导读] 就热力系本身而言，热力学仅对平衡状态进行描述，“平衡”就意味着宏观是静止的李晓明李彦军张国磊宋福元哈尔滨工程大学动力与能源工程学院【摘要】本文对经典热力学中两个重要概念——准静态过程和可逆过程进行了分析，剖析了准静态过程和可逆过程之间的联系和区别，有
助于对两个概念的正确理解，运用这两个概念解决热力学的问题。
【关键词】准静态过程可逆过程【中图分类号】 O414.1【文献标识码】 A【文章编号】 1006－9682（2009）12－0069－02 准静态过程和可逆过程是热力学中的两个很重要的概念。
目前国内很多教材对这两个概念并不加以明显的区分，很多文献直接冠以准静态过程的功、热量的说法。
对这两个热力学过程，笔者有一些自己的看法，在这里和同行们进行共同的探讨。
一、准静态过程的定义
就热力系本身而言，热力学仅对平衡状态进行描述，“平衡”就意味着宏观是静止的；而要实现能量的转换，热力系又必须通过状态的变化即过程来完成，“过程”就意味着变化，意味着平衡被破坏。
“平衡”和“过程”这两个矛盾的概念怎样统一起来呢？这就需要引入准平衡过程。
［1］
《中国大百科全书》（物理卷）中这样定义准静态过程：［2］准静态过程是“热力学系统在变化时经历的一种理想过程，准静态过程的每一个中间状态都处于平衡态”。
或者可以更明确的定义：热力学系统状态发生变化时，经历的每一中间状态都无穷接近于平衡态的热力过程称为准静态过程。
尽管实际的热力过程都是在有限的温差和压差下进行的，都是不平衡过程。
但如果和弛豫时间相比，热力过程进行的足够缓慢的话，那么系统在实际过程中所经历的状态都十分接近于平衡态，以至我们可用无穷多个势差为无穷小，前后相继的平衡态来描述系统实际经过的热力过程。
显然，这是一种理想化了的过程，但是这种与实际偏离、被理想化了的方法，为经典热力学描述系统经历的实际变化过程提供了可能，使得状态变化能够在热力性质图上用热力过程曲线来描述。
因此，准静态过程是经典热力中一类极为重要的过程。
［3］
二、可逆过程的定义
可逆过程是热力学中从另一个角度定义的一类理想过程。
《中国大百科全书》（物理卷）对其这样定义：“一个系统由某个状态出发经过某一过程达到另一状态，如果存在另一过程，能使系统回到原来的状态，同时消除了原来的过程对外界所引起的一切影响，则原来的过程就称为可逆过程”。
上述定义实际上包含了两方面的意义。
因为定义中的初态和终态是任意的，所以定义的第一个意义是系统经历一个可逆过程后，可以严格地按照原来的途径返回到最初的状态，因此可逆过程必然是准静态过程。
该定义的另外一个意义是，可逆过程中不存在任何的耗散损失，因此，在按其反过程返回初态后，没有给外界留下任何的痕迹。
引入可逆过程这个概念后，系统与外界功量和热量的交换能用系统的参数来计算，而无需考虑不知道情况的外界参数，从而使问题简化，而只需要把注意力放在系统，即系统内工质的状态及状态的变化描述上，这正是可逆过程的突出优点；可逆过程进行的结果不会产生任何能量损失，因而可逆过程可以作为实际过程中能量转换效果比较的标准和极限；实际过程或多或少地存在着各种不可逆因素，所以实际过程都是不可逆的，为简便起见常把实际过程当作可逆过程进行分析计算，然后再用一些经验系数加以修正，这是可逆过程引入的实际意义所在。
三、准静态过程和可逆过程联系和区别
准静态过程和可逆过程既有区别又有联系，这要从两者的实现条件谈起。
我们说，准静态过程中，物系要随时具有力、热和化学的平衡，即处于完全平衡中，这样才能保证准静态过程的实现。
而可逆过程的实现则要求过程没有任何不可逆损失。
不可逆损失可分为非平衡损失和耗散损失两大类，非平衡损失是由物系的非平衡态所引起的，其中包括力、热的和化学的不平衡损失。
从这里可以看出，准静态过程没有不平衡损失。
而耗散损失是因为机械摩擦阻力、流体粘性阻力以及电阻、磁阻等的作用产生的不可逆损失。
对于不涉及电磁等其它现象的热功转换而言，最重要的不可逆损失是物系做宏观运动时产生的粘性摩擦生热。
就热力学而言，耗散损失是一种和物质性质有关的不可逆损失。
有无非平衡损失取决于系统的状态是否平衡，而有无耗散损失，损失的大小则视物性而定。
综上所述，如既无非平衡损失又无耗散损失，过程就是可逆的。
准静态过程没有非平衡损失，因此是实现可逆过程的前提条件，但准静态过程并不一定就是可逆过程。
比如化学纯气体在喷管内做绝热稳定流动时，垂直于流动方向的各截面上气体的压力和温度均匀一致，过程中气体状态随时处于平衡，此时流动是准静态过程，不会有非平衡损失出现。
但同一截面上气体的流速并不相等，流束中心的流速大于临近管壁处的流速，因而会有流体的宏观相对运动。
由于流体的粘性作用，将使气体的宏观动能一部分转化为热能而产生粘性摩擦生热的损失。
这时这个流动过程是准静态过程，而不是可逆过程。
反过来说，可逆过程则一定是准静态过程。
准静态过程和可逆过程的区别还在于，准静态过程的引入只是为了对系统的热力过程进行描述，并没有涉及到系统与外界功量和热量的交换。
也就是说，尽管所有准静态过程都可以在热力图上表示出来，但准静态过程在 p－v上过程曲线下的面积 ∫pdv并不代表功，把它称之为准静态过程的功是没有意义的。
［4］那么，可以从理想气体的两种绝热膨胀过程进行分析。
一是理想气体经过绝热的准静态的膨胀，但存在耗散损失；另外一种是理想气体经过绝热可逆膨胀。
在这两个过程中，理想气体初态相同，在前一个过程中因为存在耗散，因此将有部分的机械能转化为理想气体的内能，因此其终态温度要高于第二种情况，表现在图上则如图 1所示， 2′点的温度要高于 2点的温度。
如果准静态过程曲线下面的面积代表功的话，在这样的情况下，准静态过程的功要大于可逆过程的功（图 1中 12′3′′31的面积大于 123′31的面积），我们说，这是不符合热力学的规律的，因此，准静态过程曲线下面的面积∫pdv并不恒代表功，只有可逆过程曲线下面的面积∫pdv才代表功。
这是因为准静态概念的提出侧重于描述过程，并没有涉及功热转换，而可逆过程用于分析外部条件对能量转换的影响。
四、结束语
准静态过程和可逆过程是经典热力中两个重要的概念，搞清楚两者之间的真正关系，不仅有助于对热力中两个基本概念的准确理解，澄清涉及这两个概念的一些不正确的习惯观点，而且能明确揭示不平衡自发趋于平衡现象与熵增现象之间的必然联系，对我们用热力学理论解决实际问题有很大的帮助。
参考文献
1 苏长荪.高等工程热力学［M］.高等教育出版社，1996：32
2 杨本洛.经典热力学中若干基本概念的探讨［M］.科学出版社，1996：104～105
3 阿力甫·沙吾提.热力学准静态过程的教学研究［J］.新疆师范大学学报（自然科学版），2006（25）4：103～105
4 刘玉萍.准静态过程的功初探［J］.和田师范专科学校学报，2006（27）4：204。