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          第二節熱力學基本概念

          1.熱力系統、閉口系統、開口系統、絕熱系統

          氣體在吸熱、放熱以及熱能與機械能的轉換過程中表現出來的性質,稱為氣體的熱力學性 質。圖2-2a是活塞對封閉的氣缸腔內的氣體進行壓縮。為了研究氣缸腔內氣體的物理量變化, 用邊界將腔室容積包圍起來,并將邊界內部包圍著的所有工作介質作為研究對象,則此邊界以內 的部分就稱為熱力系統,簡稱系統。邊界以外與系統有聯系的物質稱為外界。如活塞及其所受的 外力F、外界空氣及加入的熱量等都屬于外界。圖2-2b所示為向氣室充氣(或放氣)的情 況。取邊界如圖中虛線所示’邊界1-1是假想的,其余邊界都是真實存在的。

          通常,系統與外界之間可能有質量交換和能量交換。按系統與外界之間有無質量交換, 可將系統分成閉口系統和開口系統。與外界之間無質量交換的系統,稱為閉口系統(見圖 2-2a)。閉口系統內部的質量是保持不變的。與外界之間有質量交換的系統,稱為開口系 統(見圖2-2b)。開口系統有物質穿過邊界,系統內部的質量可以變化,也可以不變化。 對這種系統,邊界所限定的某確定的空間體積稱為控制體,其邊界稱為控制面,并將占有此 控制體的工作介質作為研究對象。

          與外界沒有熱交換的系統,稱為絕熱系統。自然界不存在完全絕熱的材料,只是當系統 與外界傳遞的熱量小到可以忽略不計時,就可假設該系統為絕熱系統,以使研究得到簡化。

          2.狀態參數、熱力過程、準平衡過程

          熱力系統在某瞬時呈現的宏觀物理狀態稱為熱力狀態。它反映著系統內大量氣體分子熱 運動的平均特性。我們把描述系統所處狀態的一些宏觀物理量稱為狀態參數,如壓力、溫度、質量體積等。

          在沒有外界影響的條件下,系統各部分的狀態參數長時間內不發生變化的狀態,稱為平 衡狀態。平衡狀態是指系統的宏觀性質不隨時間變化,從微觀看,平衡狀態下系統內的分子 仍在作永不停息的熱運動,只不過這種分子熱運動的平均效果不隨時間變化。若系統與外界 發生能量交換,系統的狀態就會發生變化。系統從一個狀態連續地變化到另一個狀態,它所 經歷的全部過程稱為熱力過程。嚴格講,任何實際的熱力過程都是不平衡過程。因為當系統 與外界發生能量交換時,原有的平衡狀態被破壞,需要經過一段時間才能達到新的平衡狀 態,但在未達到新的平衡狀態之前,系統與外界又發生了新的能量交換,故熱力過程中,系 統經歷了一系列不平衡狀態。由于系統工質的宏觀運動速度一般都不大,如氣動系統的控制 元件和執行元件的機械運動速度,一般不超過lOm/s,而空氣壓力波的傳播速度每秒達幾百 米,分子熱運動的平均速度每秒也達幾百米以上。因此可以假設,由于外界條件的變化,系 統內的氣體能夠極快地建立一系列的新的平衡狀態,把氣動系統的這種熱力過程稱為準平衡 過程,即過程中的每一個中間狀態都可看成是平衡狀態,有確定的狀態參數。這樣,準平衡 過程就可用隨時間連續變化的狀態參數來描述。

          3.完全氣體及其狀態方程

          系統與外界只有熱功交換的簡單系統,在平衡狀態下,三個基本狀態參數:絕對壓力 P、質量體積v和熱力學溫度T之間的函數關系,稱為氣體的狀態方程,可表示成程計算,帶來的誤差不會太大。對封閉容器中的氣體和流動中的氣體,氣體狀態方程都可使用。對流動中的氣體’ P、P 和T是同一流體質點處于不同位置時的三個基本狀態參數。

          利用氣體狀態方程,可將有壓狀態下的氣體體積折算成標準狀態下的氣體體積。設標準 狀態下氣體的壓力為Pa,溫度為Ta,體積為Va,將該狀態下一定質量的氣體壓縮成壓力為 P、溫度為T的有壓狀態,則有壓狀態下氣體的體積

           

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