熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)-準(zhǔn)平衡過(guò)程和可逆過(guò)程（熱力學(xué)基礎(chǔ)）

可逆過(guò)程可逆過(guò)程

準(zhǔn)平衡過(guò)程只研究熱力過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)的平衡，沒(méi)有考慮過(guò)程變化時(shí)能量的耗散，比如活塞移動(dòng)時(shí)摩擦帶來(lái)的能量損耗，要研究能量的耗散我們就需要認(rèn)識(shí)熱力過(guò)程的第二個(gè)理想化模型?！赡孢^(guò)程可逆過(guò)程的概念01可逆過(guò)程的條件02目

錄Content可逆過(guò)程的概念01可逆過(guò)程氣缸一活塞系統(tǒng)

一個(gè)準(zhǔn)平衡過(guò)程進(jìn)行完了以后，如果能使熱力系沿相同的路徑逆行回復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，且相互作用中所涉及到的外界亦回復(fù)原態(tài)，而沒(méi)有留下任何不能消除（或稱(chēng)不可復(fù)逆）的痕跡，則此過(guò)程稱(chēng)為可逆過(guò)程?？赡孢^(guò)程12案例講解在分析準(zhǔn)平衡過(guò)程中，我們假想把重物分成無(wú)窮多的薄片，如圖所示當(dāng)活塞與氣缸壁之間不存在摩擦?xí)r，在一個(gè)一個(gè)取下薄片后，熱力系由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，現(xiàn)在我們?cè)侔驯∑粋€(gè)一個(gè)放回到活塞上，氣缸內(nèi)的工質(zhì)又會(huì)由狀態(tài)2逆行回復(fù)到狀態(tài)1，仿佛什么都沒(méi)有發(fā)生過(guò)一樣，熱力系由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2就是一個(gè)可逆過(guò)程。若活塞與氣缸壁之間存在摩擦?xí)r，則在逆行回復(fù)過(guò)程中外界就要多支付一部分能量來(lái)彌補(bǔ)活塞移動(dòng)過(guò)程中的摩擦耗能，這樣外界就留下了變化，熱力系由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2就是一個(gè)不可逆過(guò)程?？赡孢^(guò)程案例講解閉口熱力系統(tǒng)中工質(zhì)處于1狀態(tài)，現(xiàn)在熱源通過(guò)邊界輸入Q的熱量，工質(zhì)從熱源吸收Q的熱量后會(huì)膨脹做功，變化到狀態(tài)2，對(duì)外界輸出W的功，推動(dòng)飛輪運(yùn)動(dòng)，熱力系統(tǒng)發(fā)生熱力過(guò)程1-2，假設(shè)活塞和飛輪運(yùn)動(dòng)都不存在摩擦，現(xiàn)在我們把飛輪獲得的功W反過(guò)來(lái)去壓縮工質(zhì)，推動(dòng)活塞向左移動(dòng)，在這個(gè)過(guò)程中若工質(zhì)沿原路回到狀態(tài)1，同時(shí)壓縮過(guò)程熱力系統(tǒng)放熱，向熱源傳遞Q的熱量，這樣熱源和工質(zhì)都恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，沒(méi)有留下任何變化，這樣熱力過(guò)程1-2就是一個(gè)可逆過(guò)程。氣缸活塞飛輪熱源21pv可逆過(guò)程案例講解如果活塞和飛輪運(yùn)動(dòng)都存在摩擦，那么要使活塞移動(dòng)回狀態(tài)1，施加給飛輪的能量必須大于W，要克服活塞和飛輪往返摩擦所消耗的功，這樣外界就多支付了能量，外界就留下了變化，就是不可逆過(guò)程。氣缸活塞飛輪熱源21pv同樣若熱源和系統(tǒng)存在溫差時(shí)，在有溫差傳熱的情況下，熱量由熱源向系統(tǒng)的傳遞可以自發(fā)進(jìn)行，逆向變化時(shí)但由系統(tǒng)向熱源的放熱就要借助于制冷機(jī)的幫助來(lái)進(jìn)行，使外界（熱源）留下變化，也是一個(gè)不可逆過(guò)程?？赡孢^(guò)程案例講解可逆過(guò)程是將一切實(shí)際過(guò)程理想化后所得到的一種科學(xué)抽象概念，是進(jìn)行熱力學(xué)分析時(shí)一種重要的研究方法。對(duì)熱力系而言，準(zhǔn)平衡過(guò)程與可逆過(guò)程同可視為一系列平衡狀態(tài)所組成。因此都能在熱力狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上用一連續(xù)的曲線來(lái)描述。氣缸活塞飛輪熱源21pv當(dāng)熱力過(guò)程中存在任何一種不平衡，就會(huì)出現(xiàn)不可逆情況。例如有限壓差下使工質(zhì)膨脹或壓縮所產(chǎn)生的不可逆性或有限溫差下的傳熱所產(chǎn)生的不可逆性都會(huì)使工質(zhì)經(jīng)歷一個(gè)非準(zhǔn)平衡過(guò)程，同時(shí)當(dāng)存在任何種類(lèi)的摩擦阻力時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)不可逆，帶來(lái)能量的損耗?？赡孢^(guò)程可逆過(guò)程有什么特點(diǎn)呢？可逆過(guò)程應(yīng)具備以下兩個(gè)特點(diǎn)：在過(guò)程進(jìn)行時(shí)，熱力系和外界恒處于平衡狀態(tài)，即隨時(shí)保持力的平衡和熱的平衡；在過(guò)程變化期間，無(wú)任何能量的不可逆損耗存在?？赡孢^(guò)程準(zhǔn)平衡過(guò)程和可逆過(guò)程是我們研究熱力過(guò)程的兩種理想模型，他們之間有什么區(qū)別呢？可逆過(guò)程不僅要求熱力系內(nèi)部是平衡的，而且熱力系與外界之間的相互作用也是可逆的，也即可逆過(guò)程必須要保持內(nèi)、外力平衡與熱平衡，且又無(wú)任何摩阻。而準(zhǔn)平衡過(guò)程只是著眼于熱力系內(nèi)部的平衡，至于外界是否有摩阻對(duì)熱力系內(nèi)部的平衡并無(wú)影響。可逆過(guò)程應(yīng)具備以下兩個(gè)特點(diǎn)：可逆過(guò)程準(zhǔn)平衡過(guò)程和可逆過(guò)程是我們研究熱力過(guò)程的兩種理想模型，他們之間有什么區(qū)別呢？可逆過(guò)程必然是準(zhǔn)平衡過(guò)程，而準(zhǔn)平衡過(guò)程只是可逆過(guò)程的條件之一。在熱力學(xué)研究的熱量傳遞和做功時(shí)，無(wú)摩擦做功和無(wú)溫差傳熱的準(zhǔn)平衡過(guò)程可以看做可逆過(guò)程?？赡孢^(guò)程應(yīng)具備以下兩個(gè)特點(diǎn)：準(zhǔn)平衡過(guò)程的概念只包括熱力系內(nèi)部的狀態(tài)變化，而可逆過(guò)程則是分析熱力系與外界所產(chǎn)生的總效果。熱力過(guò)程熱力過(guò)程工程熱力學(xué)

研究熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換規(guī)律的一門(mén)學(xué)科，熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換是要工質(zhì)發(fā)生狀態(tài)改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的。我們?nèi)绾蚊枋龉べ|(zhì)狀態(tài)的改變呢？熱力過(guò)程的定義01熱力過(guò)程的實(shí)例02目

錄Content熱力過(guò)程的定義01熱力過(guò)程熱力過(guò)程定義

如果一個(gè)熱力系一直處于某一平衡狀態(tài)而不發(fā)生狀態(tài)變化，也就是與外界沒(méi)有任何相互作用，既不做功也不傳熱，也就達(dá)不到熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的目的，因此熱力學(xué)研究的熱力系，應(yīng)該是狀態(tài)不斷變化的熱力系。熱力系統(tǒng)從某一初始狀態(tài)，經(jīng)歷一系列中間狀態(tài)變化到某一最終狀態(tài)，我們就說(shuō)熱力系經(jīng)歷了一個(gè)熱力過(guò)程。熱力過(guò)程是熱力系內(nèi)部與外界聯(lián)系的一座橋梁，只有通過(guò)熱力過(guò)程才能實(shí)現(xiàn)熱能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。要讓熱力系經(jīng)歷熱力過(guò)程，就必須存在某種不平衡勢(shì)差，使熱力系原有的平衡遭到破壞，從而使熱力系的狀態(tài)發(fā)生變化。熱力過(guò)程12熱力過(guò)程定義

重物的作用使工質(zhì)處于平衡狀態(tài)1，外界不施加干擾熱力系統(tǒng)就維持狀態(tài)1不變化，系統(tǒng)與外界處于力平衡和熱平衡，當(dāng)我們把活塞上的重物拿掉，則產(chǎn)生了不平衡勢(shì)差-內(nèi)外壓力差，這樣由于內(nèi)部壓力大于外部壓力，就推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)熱力系統(tǒng)的壓力由于膨脹而逐漸減少，這種不平衡勢(shì)也逐漸減小，直到最后內(nèi)部壓力與外部相等，不平衡勢(shì)差消除，熱力系統(tǒng)會(huì)達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)2，完成一個(gè)熱力過(guò)程。熱力過(guò)程12熱力過(guò)程定義

不平衡勢(shì)差是熱力系經(jīng)歷熱力過(guò)程的必要條件。在這個(gè)熱力過(guò)程中，熱力系經(jīng)歷的實(shí)際過(guò)程必將是一系列非平衡狀態(tài)，這些非平衡狀態(tài)實(shí)際上無(wú)法用狀態(tài)參數(shù)來(lái)描述，這樣的話，熱力過(guò)程就無(wú)法描述了，因而也就無(wú)法研究了。熱力過(guò)程的實(shí)例02熱力過(guò)程熱力過(guò)程實(shí)例在工程中工質(zhì)流過(guò)熱力設(shè)備進(jìn)行熱能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，勢(shì)必要發(fā)生狀態(tài)改變，就要經(jīng)歷對(duì)應(yīng)的熱力過(guò)程。燃料在鍋爐爐膛內(nèi)燃燒，生成高溫?zé)煔猓剂系幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊煔馑哂械臒崮?。鍋爐管內(nèi)的水吸取煙氣的熱量變?yōu)樗羝Ｋ羝谶^(guò)熱器中再次吸熱進(jìn)一步提高溫度。煙氣的熱能通過(guò)傳熱變成水蒸汽的熱能。熱力過(guò)程熱力過(guò)程實(shí)例這種高溫高壓的水蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)中，通過(guò)蒸汽在噴管內(nèi)膨脹，使熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子上的葉片而作功，使汽輪機(jī)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，軸轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)而轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｗ鞴蟮恼羝谀髦蟹艧崮Y(jié)為水，再由給水泵將凝結(jié)水送回鍋爐。如此周而復(fù)始，使燃料燃燒時(shí)放出的熱能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。熱力過(guò)程工質(zhì)水蒸氣鍋爐→吸熱溫度升高的熱力過(guò)程汽輪機(jī)→膨脹做功壓力降低的熱力過(guò)程凝汽器→放熱的熱力過(guò)程給水泵→壓縮升壓的熱力過(guò)程準(zhǔn)平衡過(guò)程準(zhǔn)平衡過(guò)程

熱力過(guò)程中間狀態(tài)點(diǎn)可能是平衡的也可能是不平衡的，如果是不平衡的我們就無(wú)法用用狀態(tài)參數(shù)來(lái)描述，這樣的話，熱力過(guò)程就無(wú)法描述了，因而也就無(wú)法研究了。為了解決這一問(wèn)題，需要對(duì)實(shí)際過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立熱力過(guò)程的理想模型。準(zhǔn)平衡過(guò)程和可逆過(guò)程就是實(shí)際過(guò)程的兩種理想化模型。——準(zhǔn)平衡過(guò)程的內(nèi)容準(zhǔn)平衡過(guò)程的概念01準(zhǔn)平衡過(guò)程的判斷02目

錄Content準(zhǔn)平衡過(guò)程的概念01準(zhǔn)平衡過(guò)程準(zhǔn)平衡過(guò)程概念21氣缸一活塞系統(tǒng)

在氣缸活塞系統(tǒng)中，取氣缸內(nèi)的氣體為熱力系統(tǒng)，其初狀態(tài)為1點(diǎn)，壓力和比體積為p1，v1，若將活塞上的重物拿掉，熱力系統(tǒng)在邊界上就產(chǎn)生一個(gè)壓差，在壓差的影響下活塞會(huì)移動(dòng)到中間圖的位置，觀察熱力系統(tǒng)，在勢(shì)差的作用下平衡狀態(tài)被破壞，靠近活塞的氣體體積先膨脹，與遠(yuǎn)離活塞的氣體產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)是不一致的，這種差異直至達(dá)到新的平衡狀態(tài)p2，v2為止。準(zhǔn)平衡過(guò)程準(zhǔn)平衡過(guò)程概念21氣缸一活塞系統(tǒng)

這種在有限勢(shì)差作用下，經(jīng)過(guò)一系列不平衡狀態(tài)變化的過(guò)程即為非平衡過(guò)程。非平衡過(guò)程中只有初態(tài)p1，v1和終態(tài)p2，v2是平衡狀態(tài)，中間經(jīng)歷的狀態(tài)都是非平衡狀態(tài)。這些中間狀態(tài)無(wú)法在參數(shù)坐標(biāo)圖上表示，故非平衡過(guò)程在參數(shù)坐標(biāo)圖上只能用虛線表示，其變化的方向，并不能表示過(guò)程真正按虛線進(jìn)行，如右圖所示。準(zhǔn)平衡過(guò)程準(zhǔn)平衡過(guò)程概念氣缸一活塞系統(tǒng)

若將活塞上的重物細(xì)分為5個(gè)小塊，如圖所示。每取走一小塊，在邊界會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的勢(shì)差，平衡狀態(tài)被破壞，活塞會(huì)向上移動(dòng)一個(gè)位置，熱力系統(tǒng)會(huì)達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，最后達(dá)到了狀態(tài)2，如中間圖所示，這樣該熱力過(guò)程就有六個(gè)平衡狀態(tài)點(diǎn)，如右圖所示。121pv2準(zhǔn)平衡過(guò)程準(zhǔn)平衡過(guò)程概念氣缸一活塞系統(tǒng)

我們?cè)O(shè)想現(xiàn)在我們把重物分成無(wú)窮多個(gè)無(wú)限小的薄片，每個(gè)小薄片的質(zhì)量為無(wú)窮小。每取走一個(gè)薄片，在邊界會(huì)產(chǎn)生一個(gè)無(wú)限小的勢(shì)差，平衡狀態(tài)被破壞，在無(wú)限小的勢(shì)差作用下系統(tǒng)狀態(tài)變化的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)恢復(fù)平衡的速度，系統(tǒng)瞬間就達(dá)到新的平衡狀態(tài)點(diǎn)，這樣依次操作，每拿走一個(gè)薄片，系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，直至無(wú)窮多的薄片拿完，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)無(wú)窮多平衡狀態(tài)變化到狀態(tài)2，也就是說(shuō)熱力系統(tǒng)是經(jīng)歷了一系列非常接近平衡狀態(tài)的變化到達(dá)狀態(tài)點(diǎn)2。121pv2準(zhǔn)平衡過(guò)程準(zhǔn)平衡過(guò)程概念氣缸一活塞系統(tǒng)若熱力過(guò)程中系統(tǒng)所經(jīng)歷的每一個(gè)狀態(tài)都是平衡狀態(tài)或無(wú)限接近于平衡狀態(tài)，這樣由一系列可以看作平衡狀態(tài)（準(zhǔn)確地說(shuō)是無(wú)限接近平衡的狀態(tài)）所組成的熱力過(guò)程稱(chēng)為準(zhǔn)平衡過(guò)程，也稱(chēng)為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。1pv2若熱力過(guò)程中熱力系的狀態(tài)和平衡態(tài)有相當(dāng)?shù)钠x，則整個(gè)熱力過(guò)程就不能由一系列平衡狀態(tài)點(diǎn)描述，就稱(chēng)為非準(zhǔn)平衡過(guò)程或非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。準(zhǔn)平衡過(guò)程由于是經(jīng)歷了一系列非常接近平衡狀態(tài)的狀態(tài)，因此可以在參數(shù)坐標(biāo)圖上用平衡狀態(tài)點(diǎn)描述狀態(tài)，可以用曲線表達(dá)過(guò)程，如圖所示。準(zhǔn)平衡過(guò)程的判斷02準(zhǔn)平衡過(guò)程準(zhǔn)平衡過(guò)程判斷我們?cè)谘芯繜崃^(guò)程時(shí)如何來(lái)判斷準(zhǔn)平衡過(guò)程呢？