气，由手对外作功而变为低温低压的蒸汽流出等等。我们把工质从某一状态过漫到另一状态所经历的全部状态变化称为热力过程。实际热力过程是在势差推动下进行的，且工质流动及机械运动存在摩阻等影响，过程非常复杂，给热工分析计算带来很大困难。为了简化计算，我们在引用平衡概念的基础上，将热力过程理想化为准静态过程和可逆过程。一、准静态过程考察系统内部状态变化过程，发现系统内、外都有引起系统状态变化的某种势差，如温差、压差等，所以系统内部状态变化难免偏离平衡状态。例如，系统吸热时靠近热源界面的温度高于系统其他部位的温度；又如活塞式气缸中气体膨胀作功时，靠近活塞顶面的气体压力低于其他部位的压力等。内、外势差越大，过程进行越快，则系统偏离平衡态也越大。无论是温差或压差在理论上都有作功的能力。但是，系统内部的这种不平衡势差在系统向新的平衡过渡时，并不能对外作功，而是成为一种损失，称为非平衡损失，这种损失很难定量计算，而且对于非平衡状态，也无法用少数几个状态参数来描述。因此，理论研究可以设想一种过程，这种过程进行得非常缓慢，使过程中系统内部被破坏了的平衡状态有足够的时间恢复到新的平衡态，从而使过程的每一瞬间，系统内部的状态都非常接近平衡状态，即整个过程可看作是由一系列非常接近平衡态的状态所组成，这样的过程称为准静态过程。这种过程不必考虑内部不平衡的势差对能量转换造成的影响，没有内部不平衡损失，状态特性可用少数几个参数描述。准静态过程在坐标图上可以用一系列平衡状态点的轨迹所描绘的连续曲线表示，如图1-10所示实线1-2。如果热力过程除初、终状态外，在过程中的每一瞬间系统状态都不接近平衡态，这种过程称为非准静态过程。在图1-10中如虚线1-2所示。准静态过程是理想化了的实际过程，是实际p过程进行得非常缓慢时的一个极限。实际过程都不是平衡状态的连续过渡，但在通常情况下可以近似地当作准静态过程来处理。由于气体分子运动的速度极大，例如：在0℃时，H2分子的均方根平移运动速度达1828m/s，N2分子达493m/s，O2分子达461m/s，在气体内部的压力传播速度也很大，通常达每秒几百米。而活塞移动速度则图1-10准静态过程和非准静态过程通常不足10m/s，因而工程中的许多热力过程，虽然凭人们的主观标准看来似乎很迅速，但实际上按热力学的时间标尺来衡量，过程的变化还是比较慢的，并不会出现明显的偏离平衡态。二、可逆过程在分析系统与外界传递能量（功量和热量）的实际效果时，只考察系统内部状态变化过程是不够的，因为在能量传递过程中设备的机械运动和工质的黏性流动都存在阻，将使一部分可用功转变为热，虽然能量的总量没有变化，但是可用功却减少了，转变成了低PDC品位的热能，这种由功转变为热的现象称为耗散效应，而造成可用功的损失称为耗散损失，这部分损失在实际计算中也很难确定。因此，理论分析时可以设想一个完全没有热力学损失（包括非平衡损失和耗散损失）的理想热力过程。12
如图1-11所示装置中，取气缸中的工质作为系统，设工质进行绝热膨胀，对外作功，工质经历A-1-2-3-4-B的准静态过程（如P图中所示）。假想机器是没有摩擦的理想机器，工质内部也没有摩阻。工质对外作的功全部用来推动飞轮，以动能的形式储存在飞轮中。当活塞逆行时，飞轮中储存的能量逐渐释放出来用于推动活塞沿工质原过程线逆向进行一个压缩过程。由于机器及工质没有任何耗散损失，过程终了将使工质及机器都回复到各自的初始状态，对外界没有留下任何影响，既没有得到功，也没有消耗功。这种过程没有热力学损失，其正向效果与逆向效果恰好相互抵消，这样的过程称为可逆过程Pt1活塞飞轮气缸4T图1-11可逆过程图可逆过程的定义为：当系统进行正、反两个过程后，系统与外界均能完全回复到初始状态，否则为不可逆过程。实现可逆过程的具体条件为：一是过程没有势差（或势差无限小），如传热没有温差，作膨胀功没有压力差等；二是过程没有耗散效应，如机械运动没有摩擦，导电没有电阻等。显然，可逆过程是理想化过程，是实际过程的一种极限，实际上是不可能实现的。引人可逆过程只是一种研究方法，是一种科学的抽象。工程上许多涉及能量转换的过程，如动力循环、制冷循环、气体压缩、流动等热力过程的理论分析，都常把过程理想化为可逆过程进行分析计算，既简便，又可把所得结果作为实际过程能量转换效果的比较标准。而将理论计算值加以适当修正，就可得到实际过程的结果。因此可逆过程的概念在热力学中具有非常重要的作用。对热力系统而言，准静态过程和可逆过程都是由一系列平衡状态所组成，在P图上都能用连续曲线来表示：但两者又有一定的区别，可逆过程要求系统与外界随时保持力平衡和热平衡，并且不存在任何耗散效应，在过程中没有任何能量的不可逆损失，而准静态过程的条件仅限于系统内部的力平衡和热平衡。准静态过程在进行中系统与外界之间可以有不平衡势差，也可能有耗散现象发生，只要系统内部能及时恢复平衡，其状态变化还可以是准静态的。可见，准静态过程是针对系统内部的状态变化而言的，而可逆过程是针对过程中系统所引起的外部效果而言的。可逆过程必然是准静态过程，而准静态过程则未必是可逆过程，它只是可逆过程的条件之一。还需指出，非平衡损失和耗散损失不是指能量的数量损失，而是指能量作功能力（即能质）的降低或退化。DD三、可逆过程的膨胀功（体积功）热转换为机械功必须依靠工质的膨胀。如图1-12所示的热机装置示意图，取气缸内1kg气体为闭口热力系统。由于系统体积发生变化而通过界面向外界传递的机械功称为膨13
胀功，也称体积功。一般规定：系统体积增大，表示系统对外界作膨胀功，为正功；系统体积减小，表示外界对系统作压缩功，为负功。当工质克服外力F推动活塞移动微小距离dS时，工质将对外作微小膨胀功。按物理学中功的定义式：功力×距离，4则有ow=FdS假设热力过程是可逆过程，内外没有线势差，作用在活塞上的外力与工质作用在s活塞上的力相等，外力就可以用系统内部状态参数来表示，即图1-12膨胀功F=pf式中于是活塞的截面积。得到单位质量工质在微元热力过程中所作的膨胀功为：8w=pfdS=pdu(1-13a)可逆过程1-2所作的膨胀功为：pdu(J/kg)(1-136)w在图1-12中面积12nm1表示膨胀功，由于在该图上可用过程线与坐标轴之间围成的面积表示功的大小，故又称力图为示功图。显然，在初、终状态相同的情况下，如果过程经历的途径不同，则膨胀功的大小也不相同，这说明膨胀功与过程特性有关，它是过程量而不是状态量。用数学语言表达，微元功8w不是全微分，“”表示微小量，而不是微小增量“d”，故它的积分式w￥w-四、可逆过程的热量热量是除功以外，没有物质流的系统与外界传递能量的又一种形式。热量传递中作为推动力的强度性参数是温度，而作为广义位移的广延性参数的变化是摘的增量。于是热量计算有类似于膨胀功的计算公式，为：8q=Tds(J/kg)(1-14a)或8Q=TdS(J)(1-146)可逆过程1-2传递的热量：2Tds(J/kg)(1-15)q=PDG如图1-13T-s图中所示，面积12341表示可逆过ds程传递热量，故又称该图为示热图。从图中分析可知，初、终态相同但中间途径不同的各种过程，其传递热图1-13T-s图14
量也不相同，说明热量也是过程量，它与过程特性有关。从式（1-14）可以得出可逆过程中系统摘的定义式：ds=(J/(kg·K))(1-16)T通常规定：系统吸热，9为正值：系统对外放热，9为负值。相应地，可逆过程中摘的变化为：系统吸热，ds>0；系统放热，ds<0：绝热过程，ds=0。关于摘的严格推导及意义参见第五章。SI规定：热、功和能的单位均采用J（焦耳）。1J=IN.m或1J-1W· s式中N·m-牛顿·米；W.s-瓦·秒。--J与其他能量单位，如卡、千克力·米、于瓦·时、马力·时等的换算关系参看附表6。第五节热力循环要使工质连续不断地作功，单有一个膨胀过程是不可能的，当它与环境压力达到平衡时，便不能再继续膨胀作功了。为了使工质能周而复始地作功，就必须使膨胀后的工质回复到初始状态，如此反复地循环。工质从某一初态出发，经历一系列状态变化，最后又回复到初始状态的全部过程称为热力循环，简称循环。如图1-14（a）所示1-2-3-4-1为正循环，图1-14（6）中1-4-3-2-1为逆循环。D117(a)(b)图1-14任意循环在P图上的表示H（a）正循环：（6）逆循环一、正循环DG设有1kg工质在气缸中进行一个正循环1-2-3-4-1。过程1-2-3表示膨胀过程，所做膨胀功在力图上为面积123561。为使工质回复到初态，必须对工质进行压缩，此时所消耗的压缩功为面积341653。正循环所做净功w为膨胀功与压缩功之差，即循环所包围的15
面积12341（正值）。对正循环1-2-3-4-1，在膨胀过程1-2-3中工质从热源吸热q1，在压缩过程3-4-1中工质向冷源放热92。由于在循环过程中，工质回复到初态，工质的状态没有变化，因此，工质内部所具有的能量也没有变化。循环过程中工质从热源吸收的热量Q1与向冷源放出的热量q2的差值，必然等于循环1-2-3-4-1所做的净功wo，即wo=Q1-q2。正循环中热转换功的经济性指标用循环热效率表示：循环中转换为功的热量循环热效率=工质从热源吸收的总热量91-92-192(1-17)=qqq1从式（1-17）可得出结论：循环热效率总是小于1。从热源得到的热量q1只能有一部分变为净功wo，在这一部分热能转换为功的同时，必然有另一部分的热量（92）流向冷源，没有这部分热量流向冷源，热量是不可能连续不断地转变为功的。二、逆循环如图1-14（b）所示，热力循环按逆时针方向进行（即循环1-4-3-2-1）时，就成了逆循环。由力图可知，逆循环的净功为负值，即逆循环需消耗功。工程上逆循环有两种用途：如以获得制冷量为目的，称为制冷循环，这时制冷工质从冷源吸取热量92（或称冷量）：如以获得供热量为目的，则称为热泵循环。这时工质将从冷源吸收的热量q2，连同循环中消耗的净功wo，一并向较高温度的供热系统供给热量q（q=q2十wo）。逆循环的经济指标采用工作系数（CoefficientofPerformance，缩写为COP）表示。分别有制冷系数E1（或COPR）和供热系数E2（或COPH）。即61=92#92制冷系数(1-18)woqiq229191供热系数(1-19)oqq2从式（1-18）和式（1-19）可知，制冷系数与供热系数之间存在下列关系e2=1+e1制冷系数可能大于、等于或小于1，而供热系数总是大于1。应当指出：由可逆过程组成的循环称为可逆循环，在P图上可用实线表示。部分或全部由不可逆过程组成的循环称为不可逆循环，在坐标图中不可逆过程部分可用虚线表示。因此，循环可有可逆正循环、可逆逆循环、不可逆正循环及不可逆逆循环之分。式（1-17）适用于可逆与不可逆正循环，式（1-18）及式（1-19）适用于可逆与不可逆逆循环。PDG思考题1-1开口系统与外界有物质交换，而物质与能量又不可分制，所以开口系统一定不是绝热系，这种观点对否，为什么？16