“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-最新作文

“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-最新作文
“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
Reflections on T eaching 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.
0 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。

它是研究热能与机械能相互转换及热量传递规律的一门学科。

作为工科类的一门专业基础课，对机械工程专业也有重大意义。

准静态过程和可逆过程是工程热力学中的基本概念，弄清这两个概念在本学科的学习中显得尤为重要。

1 准静态过程
1.1 平衡状态
在不受外界影响的条件下（重力场除外），如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。

平衡的本质即无不平衡势，包含以下几个方面：（1）无温差，即无热不平衡势;（2）无压差，即无力不平衡势;（3）无相变，即无相不平衡势;（4）无化学反应，即无化学不平衡势。

1.2 热力过程
当工质受到外界影响时，其所处的平衡状态遭到破坏，由一个状态经过一系列中间状态变至另一状态的过程，称为热力过程，简称过程。

1.3 准静态过程
1.3.1 准静态过程的定义
在状态变化过程中，若平衡状态每一次被破坏后都离平衡状态非常近，而状态变化的速度又远远小于工质内部分子运动的速度，则状态变化过程的每个瞬间，工质都可以认为是处于平衡状态。

这种由一系列内平衡状态所组成的即由无限接近平衡状态的状态组成的过程，称为准静态过程。

1.3.2 准静态过程的特点
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”。

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。

在准静态过程中，工质所经历的每个状态都是平衡状态，而任意一个平衡状态都可以用p-v图上的一点来表示，所以一个准静态过程就可以用p-v图上一条曲线来代表。

如图1所示，图上的曲线1-2就代表一个准静态过程。

如果工质由状态1’变化到状态2’所经过的不是一个准静态过程，则该过程无法在p-v图上表示，仅可标出其1’、2’两个平衡状态，而其过程用虚线表示。

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，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，准静态过程是实际过程的极限，这种极限虽然不可能完全实现，但可以无限接近。

1.3.3 准静态过程的应用
在过程上，一般如果破坏平衡所用时间（外部作用时间）>>恢复平衡所用时间（弛豫时间），则可认为是准静态过程，当做准静态过
程处理。

一般的工程过程都可认为是准静态过程，具体工程问题具体分析。

例如转速n=1500r/min的四冲程内燃机的整个压缩冲程的时间为2?？0-2s，与压强的弛豫时间（压力波恢复平衡速度接近声速，约为350 m/s）相比，可以认为这一过程进行得足够缓慢，因此可以近似地将它当作准静态过程来处理。

2 可逆过程
2.1 可逆过程的定义
可逆过程是指当系统由始态变化到终态，又由终态沿原来途径返回始态时，若参与该变化过程的系统及外界均能完全返回原来的状态，则称该变化过程为可逆过程。

2.2 可逆过程的特点
图2所示为一由工质、热机和热源组成的热力系。

工质从热源T 处吸收热量进行准静态的膨胀过程，在p-图上可用A―1―2―3―4连续曲线表示，如图3所示。

过程中，工质通过活塞将一部分能量传给飞轮，以动能的形式贮存于飞轮中。

当A―4过程完成以后，若完全利用飞轮所贮存的动能推动活塞逆行，使工质从状态4沿原路径4―3―2―1―A压缩回到状态A。

并且在压缩过程中，工质恰好又把同等热量放回给热源T。

当工质回复到原状态点A时，机器和热源也都回复到了原状态，过程所牵涉到的整个系统和外界，全部都回复到原来状态而不留下任何变化。

则A―4这个热力过程就是可逆过程。

可逆过程在实际中其实并不存在，因为实际过程中不可避免地会存在着摩擦作用。

在上述的工质热机和热源组成的热力系统中，如果工质内部或热机的部件间存在摩擦，那么当工质膨胀时，就会有一部分能量消耗在摩擦上。

同样，在把工质压缩到原来状态的过程中，也要多消耗一部分能量来克服摩擦。

因此，在整个过程结束后，工质回到了原状态，但外界失去了一部分能量而并未回到原状态。

所以，该过程是不可逆的。

由此可见，可逆过程应具备以下两个特点：（1）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。

（2）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。

2.3 引入可逆过程的意义
准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程，可逆过程是最优过程。

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的比较标准和极限。

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。

3 准静态过程与可逆过程的联系和区别
准静态过程和可逆过程既有区别又有联系，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。

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，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由并不代表功。

把它称之为准静态过程的功是没有意义的。

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4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，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并不恒代表功，只有可逆过程曲线下面的面积才代表功。

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。

4 结束语
工程热力学与传热学是研究能量转换规律和热能传递规律的学
科，对工程机械也有重大的意义。

而准静态过程和可逆过程是工程热力学中两个重要的概念，清楚两者之间的关系，不仅有助于对这两个基本概念的准确理解，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，对用热力学理论解决机械工程中的实际问题有很大的帮助。

基金项目：长沙理工大学教改项目。