解析准静态过程和可逆过程

【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。

图1准静态过程和可逆过程绝热过程线

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