11.1 准静态过程

11.1 准静态过程

我们曾经谈到,当热力学系统处在平衡态时,如果与外界发生了相互作用(做功,传热),则平衡态遭到破坏,状态发生了变化。当热力学系统的状态随时间变化时,我们就说系统经历了一个热力学过程。

在过程进行的每一瞬间,系统的状态严格来说都是不平衡的。原来的平衡态被破坏后,需要经过一段时间才能达到新的平衡态,这段时间称为弛豫时间。

在通常情况下,过程往往进行得较快,在尚未达到新的平衡态时又发生了下一步变化。这样,在整个过程中,系统就要经历一系列的非平衡态的中间状态,这种过程称为非平衡态的中间过程,这种过程称为非静态过程。例如,图11.1中所示的气体迅速压缩的过程中,任一时刻气体各部分的密度、压强、温度并不完全相同,靠近活塞表面的气体密度要大些,压强也大些,温度也高些。又由于过程不断迅速地进行着,新的平衡态很难建立,所以气体的迅速膨胀过程是一个非静态过程。由于非静态过程中的任意时刻,气体没有统一的确定的状态参量,都不是平衡态,不便于对过程进行准确的定量研究,为此引入准静态过程的概念。

图11.1 迅速压缩气体时气体内各处密度不同

准静态过程是这样的过程:在这个过程中的每一时刻,系统的状态都无限接近于平衡态,为此任何时刻系统的状态都可以当平衡态处理。也就是说,准静态过程是由一系列依次接替的平衡态所组成的过程。

准静态过程是一种理想过程。如果实际过程进行得缓慢,经过一段很短的时间,系统状态的变化很小,各时刻系统的状态就非常接近平衡态。如果实际过程进行得无限缓慢,各时刻系统的状态也就无限地接近平衡态。因此,准静态过程就是实际过程无限缓慢地进行时的极限情况。

实际过程都是在有限的时间内进行的。但是,在许多情况下可近似地把实际过程当准静态过程来处理。只要在过程进行中每一步的时间都比弛豫时间长,这种近似处理就能在一定程度上符合实际。例如,在内燃机内气体进行的循环过程中,气缸内活塞的运动速率约为10 m/s,而汽缸内压强由不均匀趋于均匀的速率的数量级约等于声速,即每秒300多米,其弛豫时间只是活塞运动时间的10-2~10-1,所以可认为活塞的运动足够缓慢,该气体过程可以近似地当作准静态过程来看。

准静态过程可以用系统的状态图表示,如用图11.2中一条曲线表示,这就为研究热力学过程提供了方便。例如,对于一定质量的理想气体来说,因为平衡态的参量中,p、V、T中只有两个是独立的,所以给定任意两个参量的数值,就确定了一个平衡态。因此,如果以p为纵坐标,V为横坐标,作p-V图(或分别以p、T及V、T为坐标,作p-T图、V-T图),则p-V图上任何一点都对应一个平衡态;而图中任意两点之间的任一条平滑曲线都代表一个准静态过程。在图11.2中,a是等压过程曲线,b是等体过程曲线,c是等温过程曲线。

图11.2 一个准静态过程可用一条曲线表示

对于非平衡态和非静态过程,因为系统内没有统一确定的参量,所以不能在图上表示出相应的一点和一条曲线。