第1章 热力学基本概念

1、第一章 热力学的基本概念1.1 热力系及其描述11.1.1 热力系11.1.2 热力系的状态、平衡状态及状态参数21.1.3 状态参数的特性312 基本状态参数41.2.1 密度及比体积41.2.2 压力41.2.3 温度及热力学第零定律71.3 状态方程式，状态参数坐标图121.3.1 状态公理121.3.2 纯物质的状态方程式121.3.3 状态参数坐标图131.4 热力过程及热力循环141.4.1 准平衡过程141.4.2 热力循环16思考题及答案191.1 热力系及其描述1.1.1 热力系在对一个现象或个过程进行分析时为了确定研究的对象，规划出研究的范围，常从若干物体中取出需要研究的部

2、分这种被取出的部分叫做热力学系统，简称热力系。热力系以外的物质世界统称为外界（或环境）。热力系与外界的分界面叫做界面（或边界）。所谓热力系，即是由界面包围着的作为研究对象的物体的总和。热力系与外界之间的界面可以是真实的，也可以是假拟的，可以是固定的，也可以是运动的。在一般情况下，热力系与外界处于相互作用中，彼此可交换能量(如热量及各种形式的功)及物质。 按热力系与外界进行物质交换的情况可将热力系分类为： 闭口系(或闭系)热力系与外界无物质交换，或者说没有物质穿过边界。此时热力系内部的质量将保持不变，称为控制质量(C.M.)，故闭口系即是我们所研究的某“控制质量”。 开口系(或开系)热力系与外界

3、之间有物质交换，或者说有物质穿过边界。这种热力系内部的质量可以是变化的。这时，我们可以把研究的对象规划在一定的空间范围内，这种空间范围叫作控制容积(C.V.)，或称控制体，故开口系即是我们所研究的某“控制体”。相应地，控制质量或控制容积与外界的分界面也可称为控制面。按热力系与外界进行能量交换的情况常将热力系分类为： 简单热力系热力系与外界只交换热量及一种形式的准静功(准静功的概念将在22节中讨论)；绝热系热力系与外界无热交换；孤立系热力系与外界既无能量交换又无物质交换。以上是按热力系与外界的相互关系所作的分类。热力系也可按其内部状况的不同而分类为：单元系(只包含一种化学成分的物质)、多元系(包

4、含两种以上的物质)、均匀系(各部分具有相同的性质，如单相系)、非均匀系(各部分具有不同的性质，如复相系)；等等。在热力工程上，能量转换是通过工作物质的状态变化来实现的。最常用的工质是一些可压缩流体(如蒸汽动力装置中的水蒸气，燃气动力装置中的燃气，等等)。由可压缩流体构成的热力系称为可压缩系统。若可压缩系统与外界只有准静容积变化功(膨胀功或压缩功)的交换，则此系统称为简单可压缩系统。工程热力学中讨论的大部分系统都是简单可压缩系统。另外，在热力学中还会遇到一些特殊的系统，例如某种具有无限大热容量的系统，它对外放出或吸入有限的热量时其自身的温度维持不变，这种系统称为热源（或冷源）。正确地选择热力系是

5、进行正确的热力学分析的前提。没有明确选定热力系之前，对力、质量、热、功等任何问题的讨论都是不可能进行的。1.1.2 热力系的状态、平衡状态及状态参数 所谓热力系的状态，即是热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。在热力学中我们一般取设备中的流体工质(主要是气体)作为研究对象，这时热力系的状态即是指气体所呈现的物理状况。 热力系可能呈现各种不同的状态，其中具有特别重要意义的是所谓平衡状态。平衡状态是指，在没有外界影响的条件下系统的各部分在长时间内不发生任何变化的状态。处于平衡状态的热力系各处的温度、压力等参数是均匀一致的。试设想系统中各物体之间有温差存在而发生热接触，则必然有热自发地从高温物体传向

6、低温物体，这时系统不会维持状态不变，而是不断产生状态变化直至温差消失而达到平衡。这种平衡称为热平衡。可见，温差是驱动热流的不平衡势，而温差的消失则是系统建立起热平衡的必要条件。同样，如果物体间有力的相互作用(例如由压力差引起)，则将引起宏观物体的位形变化，这时系统的状态不断变化直至力差消失而建立起平衡。这种平衡称为力学平衡。所以，力差也是驱使系统状态变化的一种不平衡势，而力差的消失是使系统建止起力学平衡的必要条件。对于有相变或化学反应的系统，还可能出现由某些势差引起的相转变或化学组成变化，而在达到平衡时也应以相应的势差的消失作为平衡的必要条件(相平衡和化学平衡条件将在后续有关章节中讨论)。 这

7、样，对于一个状态可以自由变化的热力系而言，如果系统内或系统与外界之间的一切不平衡势都不存在，则热力系的一切可见宏观变化均将停止，此时热力系所处的状态即是平衡状态。各种不平衡势的消失是系统建立起平衡状态的必要条件。由上所述，处于平衡状态的热力系应具有均匀一致的温度(T)、压力(P)等。因此，对于任意给定的平衡热力系可以用确定的T,P 等物理量来描述。这些用来描述热力系平衡状态的物理量称为状态参数。处于平衡状态的热力系其状态参数具有确定的数值，而非平衡热力系的状态参数是不确定的。在对非平衡热力系进行热力学分析时常将热力系分割为一些小的微团。当所分的微团宏观上足够小而微观上足够大，以致可将微团视为一

8、平衡热力系时，对这样的微团也可用状态参数来描述。在热力学中，把介质视为连续体。在此连续体内所谓一点处的热力参数，实际上是指围绕此点的某微团所具有的热力参数。1.1.3 状态参数的特性描述热力系状态的物理量可分为两类：凡把热力系视为一个整体来定义，即与系统中所含物质的数量有关的物理量称尺度量，例如系统的总容积V、总质量m、总能量E 等。尺度量具有可加性，在系统中其总量等于各部分分量之和。例如 ，等等。对于平衡热力系而言，尺度量与系统的体积或质量成正比。对于任意给定的平衡及非平衡热力系，尺度量一般均具有确定的数值。 凡与系统中所含物质的数量无关，在热力系中任一点具有确定的数值的物理量称为强度量。压

9、力p、温度T 即是强度量的例子。强度量不具有可加性。就整个系统而言，强度量对于平衡状态才具有确定的数值，对于非平衡状态一般没有确定的数值。还有一些强度量是由尺度量转化得出的。尺度量对质量(或体积)的微商具有强度量的性质，例如尺度量V 对m 的微商 即是如此。称为系统的比体积。比体积v 可视为强度量。以后还要讲到另一些比参数，它们也具有这样的性质。上面讲到的一些状态参数，是由系统本身的内部热力状态决定的，称为热力状态参数。此外，还有一些参数，它们与热力系的内部状态无关，而需借助外部参考系来决定，例如热力系作为一个整体的运动速度，热力系整体的重力位能，等等。它们描述热力系的力学状态，称为力学状态参

10、数，或者叫做外参数。状态参数是状态的单值函数，热力系状态一定，其状态参数的数值也一定。确定状态参数的函数称为状态函数或点函数，它们具有以下数学特征。在任意过程中，当热力系从初态1过渡到终态2时，任意状态参数的变化量均等于初、终状态下该状态参数的差值，而与过程如何进行无关，即 （1-1）式中， 表示任意状态参数。当热力系经历一封闭的状态变化过程而又回复到原始状态时，其状态参数的变化为0，即 （1-2）可见，状态函数的微分是全微分。12 基本状态参数 简单可压缩平衡系的状态常用状态参数比体积v 、压力P 、温度T 来描述。这些物理量都是可以测量的，称为基本状态参数。1.2.1 密度及比体积密度是单

11、位容积内所含物质的质量，其法定计量单位为千克每立方米(kg/m3)。若质量为m 的物质占有的体积为 V ，则其密度 为 （1-3）比体积是单位质量的物质所占有的体积，其单位为立方米每千克(m 3/kg)。若质量为m 的物质占有的体积为 V ，则其比体积为 不难看出，比体积与密度互为倒数，即 （1-4）总容积V 、总质量m 为具有可加性的尺度量，但 、 则为强度量而不具有可加性。从微观意义上讲，对一定气体而言，密度、比体积均为描绘分子聚集疏密程度的物理量。1.2.2 压力单位面积上所受到的垂直作用力称为压力(或压强)。若总力F 垂直作用于面积 上，则其压力p 为 （1-5）根据分子运动论，气体的

12、压力是气体分子运动撞击表面，而在单位面积上所呈现的垂直于壁面的平均作用力， 式中， 为单位容积内的分子数， 为分子的平均移动动能。液体系统除传递压力外，在重力场中还有由于液体的重量而产生的静压力。静压力与液柱的垂直高度有关。1压力的测量、表压力和绝对压力流体的压力用压力计测量。工程上常用的压力计有两种，即弹簧管压力计及测量微小压力的U形管压力计。它们实际上是测量压差的仪器，故又称压差计。弹簧管压力计的基本结构如图11所示。它利用弹簧管在内外压差作用下产生变形，从而拨动指针转动来指示工质与环境间的压差。图11 弹簧管压力计 图12 U形管压力计U形管压力计如图12所示，其主要部件为一U形玻璃管，

13、管内盛有用来测压的液体，例如水银或水。U形管的一端与被测系统相连，另一端与环境(例如大气)相通。当系统压力与环境压力不等时，即可由U形管两边液柱的高度差读出系统与环境之间的压差。 根据流体静力学原理，在连通容器内同一高度上的压力相等。于是，对于A -A 等压面可写出力平衡方程如下： 或 （1-6）式中： H 为U形管两边的液柱高度差，m； p 为被测系统的压力，Pa； 为环境压力(一般情况下为大气压力)，Pa； 为测压液体的密度，kg/m3； g 为重力加速度， 由式(1-6)可见，当选定测压液体，且将 视为常数时，液柱高度差H 与压差( )成正比，故可用高度差H 单值地度量压差 。这就是U形

14、管压差计的工作原理。式(1-6)反映了压力与液柱高度差H 间的数量关系。工程上常用水或水银作为测压液体，其密度随温度变化而变化。它们在4及0时的密度分别为 同时假定重力加速度 为常数，其数值为 在公制中， 称为重度，用 表示。水在4，水银在0时的重度分别为 当水的温度不为4或水银的温度不为0时，液体密度 发生变化，但在工程近似计算中常忽略 随温度的变化而仍取上述数值。由以上分析可见，由于测压仪表本身常处于大气压力的作用下，表上所指示的压力并非被测系统的真实压力，而是系统压力与当时当地大气压力的差值；称为表压力，用 表示。系统的真实压力称为绝对压力，用 表示。表压力与绝对压力之间有以下关系。（1

15、） 时 （1-7）式中， 为当时当地大气压力， 及 分别为系统的绝对压力及表压力。(2) 时此时测量压力的仪表叫真空计。真空计上的读数称为真空度，用 表示，如图13所示。此时有 (1-8) 图1-3 真空计 图1-4 绝对压力与表压力 若以绝对压力为0时作为基线，则可将表压力、真空度、绝对压力、大气压力之间的关系用图1-4表示。由以上论述可见，为确定系统的压力除使用压力计外还应同时使用大气压力计以确定当时当地的大气压力。由于大气压力变化不大，当绝对压力较大时，大气压力数值的变化相对地说影响甚小，这时在工程计算上可将大气压力视为常数。但当被测系统压力较小，其数值与大气压力相近时，则不能将大气压力

16、视为常数而应利用大气压力计测定其具体数值。作为工质的状态参数，应该是 而不是 或 。2压力的单位在法定计量单位中压力的单位由基本单位导出。根据牛顿第二定律F =ma法定计量单位中规定，m 为1kg、a 为1m/s2、F 为1N时，由此导出的压力单位，称为帕斯卡，单位符号为Pa。在工程应用上常嫌Pa过小，而用MPa(即106Pa)作为压力单位。习惯上曾用巴(符号为bar，1bar=105Pa)作为压力单位。在公制单位中，压力用工程气压(at)作单位：1at=1kgf/cm2=104kgf/m2在工程计算中，当系统的绝对压力远大于大气压力时，常在式(1-7)中将大气压力视为定值，并取值为0.1MP

17、a或1at。物理学中，把纬度45o的海平面上的常年平均气压定作标准大气压。标准大气压在气压计上的水银柱高度为760mm,它相当于0.1013MPa或1.03323at。物理学上规定，压力为1标准大气压、温度为0的状况称为物理标准状况。各种压力单位的换算关系主要有1MPa=10bar=l0.1972工程气压1.2.3 温度及热力学第零定律温度是衡量物体冷热程度的物理量，在热力学分析中至关重要。 1.热力学第零定律热力学第零定律涉及温度的热力学定义。设想有两个热力系，最初它们分别处于某平衡态。如果使这两个热力系发生热接触，则可能出现两种结果。一种可能是，两系统都发生状态变化，直至两系统处于某新的状

18、态而不再变化时为止。这种新的状态我们称为热平衡状态。另一种可能是，在热接触中两系统都不发生状态变化，这意味着它们在刚接触时即已达到了热平衡。根据这个事实，可以把热平衡的概念用到两个不发生热接触的系统。若有三个热力系A、B、C，将B、C系统隔开而让它们同时与A接触，经历一段时间后A和B以及A和C都将分别达到热平衡。这时，如果再使B、 C发生热接触，则可发现B、C也处于热平衡中。由此得出结论：如果两个热力系中的每一个都与第三个系统处于热平衡，则它们彼此也处于热平衡。这种说法称为热力学第零定律。它是由经验得到的结果，而不可能从其它定律中推论出来。热力学第零定律为建立温度的概念提供了实验基础。根据这个

19、定律，处于热平衡状态的所有热力系(不论它们是否产生热接触)，必定有某一宏观特性是彼此相同的。我们把描述此宏观特性的物理量叫做温度，也就是说，温度是决定一系统是否可与其它系统处于热平衡的物理量。它的特征是，一切处于热平衡的系统都具有相同的温度。由以上的讨论还可以看到，温度是描述平衡热力系特性的一个状态参数，温差则是驱动热流的不平衡势。2温度标尺热力学第零定律除了为建立温度概念提供实验基础外，它也是进行温度测量和建立经验温度标尺的理论基础。 上面给出的温度定义是定性的，为了对温度进行定量度量还需要确定温度标尺。温度标尺是表示温度高低的尺度，简称温标。物体的温度用温度计测量。当温度计与任何被测系统接

20、触时，如果二者不处于热平衡，则将引起温度计中测温物质的状态变化，直至二者达到热平衡时为止。这样，我们可利用测温物质在两系统相互作用中所引起的某种特性的变化，将被测系统的温度显示出来。温度测量常利用物质的下述特性：(1)温度变化时固体、液体、气体的容积变化；(2)定体积下气体压力随温度的变化；(3)固体温度变化时的电阻变化；(4)两种不同材料的导线在接触点温度不等时产生的热电势；(5)辐射强度随温度的变化(用于高温测量)；(6)磁效应(用于极低温度测量)；等等。在温度测量中，温度计作为第零定律中所说的第三个系统。如果将它加以刻度，并与任意热力系接触而达到热平衡，则该系统的温度即可测出。任何一种温

21、标的建立，除选择一定的测温手段外，还需要解决两方面的问题：一是确定温标的基准点，另一是确定分度的方法。温标的基准点和分度方法的选择是人为的。例如在米制单位中取水在1标准大气压下的冰点作为0度，汽点作为100度，其间分为100个分度，并把温度视为测温物质取作温度标志的某特性量的线性函数来进行标定(例如把温度视为测温液体体积的线性函数)。按这样的规则标定的温度称为摄氏温度，单位为。如上所述，摄氏温标是利用两个固定点(冰点和汽点)来定义的。温标也可以用一个固定点来定义，热力学绝对温标即是如此。下面将要介绍的理想气体温标也是用这种方法定义的。理想气体温标依据这样的事实，即当气体压力趋于零时可视之为理想

22、气体而满足如下的状态方程： pV =mRgT式中，p、V、T、m、Rg分别为气体的压力、体积、温度、质量和气体常数。利用上述关系式建立的温标称为理想气体温标。T 即为在该温标上读出的温度。理想气体温度计有定体积和定压两种。前者利用一定量的气体在定体积时其压力与温度成正比的关系，通过压力测量以进行温度测量。此时有 式中 为常数。后者利用压力一定时一定量气体的体积与温度成正比的关系，通过体积测量以进行温度测量。此时有 式中， 为常数。理想气体温标取水三相点(固、液、汽三相平衡共存的状态)的温度为273.16度。这意味着温标的零点取在三相点温度以下273.16度处，而在零度与三相点温度之间取273.

23、16个分度。用以上方法得到的温度标尺称为理想气体温度标尺。还可以有其它标定温度的方法，在此就不再一一列举了。选定任意一种测温物质的某种特性，采用任意一种温度标定规则所得到的温标称为经验温标，上面讲的各温标均属此范畴。经验温标依赖于测温物质的性质。如果认定某测温物质的某一特性量的变化，例如水银的体积变化与温度呈线性关系而制定出一种温标，则另一种测温物质的另一特性(例如热电偶的热电势)就不一定和温度呈同样的线性关系。因此，在使用不同的测温物质的温度计测量同一温度时，除选定的基准点外，往往得到不同的数值。而任何一种经验温标都没有理由作为度量温度的标准，这就使温度的度量失去了共同的准绳。热力学理论提供

24、了建立一种新的温标的可能性。这种温标将摆脱测温物质物理性质的影响而成为度量物体温度的共同标准。这种温标称为热力学绝对温标。热力学绝对温标将在第三章中介绍。在法定计量单位中，热力学绝对温标采用“开尔文”作为度量温度的单位，单位符号为K(开)。1开尔文为水三相点的热力学温度的 。在工程应用上，除热力学绝对温标外有时也使用摄氏温标。摄氏温标的符号为t，单位为，定义为 t =T -T0 (1-9) 式中 t 表示摄氏温度t 的数值；T 表示热力学绝对温度的数值。To=273.16k从微观上讲，根据分子运动论，气体的温度是其内部分子平均移动动能的度量，即 式中： 为分子平均移动动能； B 为比例常数；

25、T为热力学绝对温度。例题1.1 用压力计测量某容器内气体的压力，压力计上的读数为027MPa。气压计的读数为755mm水银柱。求气体的绝对压力。又若气体的压力不变而大气压力下降至740mm水银柱，问压力计上的读数有无变化?如有，变化了多少?解 在第一种情况下，大气压力为 气体的压力大于大气压力Pb ，故采用式(1-7)来求其绝对压力，即 =0.27+0.101=0.371MPa 在第二种情况下，大气压力为 则在压力计上读出的气体表压力应为 =0.371-0.0986=0.2724MPa此时压力计上的读数有变化，将由027MPa变为02724MPa。例题1.2 用U形管压差计测量冷凝器内蒸汽的压

26、力。采用水银作测压液体时，测得水银柱高为720.6mm，如图15所示。若当时当地气压计读数为750mm水银柱，求冷凝器内的绝对压力(用MPa及at表示)。 图 15图 16解 根据题意，蒸汽的压力低于大气压力，故采用式(18)求其绝对压力 p =pb-pv =g(Hb-Hv)=0.(0.750-0.7206)=0.0039MPa将p换算为以at表示，则有p =10.19720.0039=0.04at例题1.3 一个新的线性温度标尺牛顿温标(单位为牛顿度，用“ ”表示)这样来定义，水的冰点和汽点分别取为100 和200 ，如上图 16。(1)导出用牛顿度表示的温度TN 与相应的热力学绝对温标上读

27、出的温度TK 之间的关系式；(2)热力学绝对温标上的绝对零度在新的标尺上为多少 ?解 (1)若任意温度在牛顿温标上的读数为TN，而在热力学绝对温标上的读数为TK，则 即 (2)当TK =0K时，由上面所得的关系式有 TN =-173 1.3 状态方程式，状态参数坐标图 1.3.1 状态公理热力系的状态用状态参数来描述。这些状态参数分别从不同的角度来描述系统某一方面的宏观特性。在若干状态参数中，可选定一定数量的参数作独立变量，其余的则为因变量。下面我们来讨论决定平衡热力系状态的独立变量的数目。前面讲到，热力系与环境之间由于不平衡势的存在将产生相互作用(即相互的能量交换)，这种相互作用以热力系的状

28、态变化为标志。每一种平衡将对应于一种不平衡势的消失，从而可得到一个确定的描述系统平衡特性的状态参数。由于各种能量交换可以独立地进行，这就有理由使我们相信，决定平衡热力系状态的独立变量的数目应等于热力系与外界交换能量的各种方式的总数。对于组成一定的闭系而言，与外界的相互作用除表现为各种形式的功的交换外，还可能交换热量。因此，对于组成一定的闭系的给定平衡状态而言，可用n + 1个独立的状态参数来限定它。这里n 是系统可能出现的准静功形式的数目，1 是考虑系统与外界的热交换。以上说法称为状态公理。对于简单可压缩系而言，由于不存在电功、磁功等其它形式的功量，热力系与外界交换的准静功只有气体的容积变化功

29、(膨胀功或压缩功)一种形式。根据状态公理，决定简单可压缩系统平衡状态的独立状态参数只有n 十11十1= 2个。132 纯物质的状态方程式1纯物质任何物质，如果其组成是同一的，化学结构是处处一致的，则此物质称为纯物质。例如，以固态、液态、气态或它们的集合物出现的纯氧所组成的系统为纯物质。空气只有当它全部为气体或全部为液体时方可视为纯物质。而如果空气中的水一部分为蒸汽一部分为液体，则由于液体中氮的含量比蒸汽中少而不能视为纯物质。此外，1mol的氢和0.5mol的氧的混合物当没有液体或固体出现时为纯物质，但如果其中某一部分结合成H20，则不再是纯物质。因为，虽然其组成是相同的，但在化学结构上是不一致

30、的。2纯物质的状态方程式对于纯物质构成的简单热力系而言，根据状态公理，其独立的状态参数只有两个。原则上，可以选取任意一对独立状态参数作为自变量，其余参数则为因变量，而有 但我们经常是在基本状态参数p,v,T 中选取任意一对作为自变量。对于基本状态参数，可以写出p =p(v,T) v =v(p,T)T =T(p,v)或综合写成下列形式：f(p,v,T)=0 (1-10) 此方程反映了物质基本状态参数p、v、T 间的函数关系，称为物质的状态方程式。物理学中学过的理想气体状态方程式 pv =RgT (1-11) 就是状态方程式的一个例子。式(1-11)中，p、v、T 分别代表气体的压力 (Pa)、比

31、体积(m3/kg)、温度(K)，Rg为气体常数。Rg的数值随气体种类不同而不同，例如，空气的Rg 0287x103J/(kgK)，氮气的Rg = 0296103J/(kgK)，二氧化碳的Rg = 0189103J/(kgK)，等等。理想气体状态方程式也可写成以下形式：对于任意质量m 的气体，有pV =mRgT (1-12)对于1mol气体有 pVm =MRgT =RT (1-13)式中：m 为气体质量，kg； M为摩尔质量，kg/kmol： R =MRg，称为通用气体常数，即摩尔气体常数。对于各种气体R 有相同的数值，R =8.314J/(molK) 这样，各种气体的气体常数Rg 可由下式求得

32、: (1-14)各种物质具有不同的状态方程式，所以状态方程式是物质个性的体现。热力学理论告诉我们，一切纯物质均存在着关系式f(p，v，T)0，但却不能给出任何物质这一关系式的具体形式，其具体形式的确定还需依赖于实验及对物质结构的认识。热力学只能用它的理论来指导这种实验，却不能代替这种实验。对于任一平衡状态而言，状态方程式反映了三个基本状态参数p,v、T 间的关系，而在状态变化过程中，它反映了上述三个参数的相互制约。133 状态参数坐标图 对于简单可压缩的平衡热力系而言，由于独立的状态参数只有两个，因而可以利用任意两个独立状态参数组成二维平面坐标系。在这种坐标图中，任意一点代表某一确定的平衡状态

33、，如图17中的点1或2。这种由热力状态参数所组成的坐标系称为热力状态坐标系，如Pv 系，TP系等等。图1-7 pv 图 只有平衡状态才能在状态坐标图上用点来表示，不平衡状态由于没有确定的热力状态参数，无法在图上表示。1.4 热力过程及热力循环 1.4.1 准平衡过程前面讲到，任何处于平衡态的热力系，由于驱使其状态变化的一切不平衡势都不存在，因此其平衡态不可能自发破坏。但若热力系所处的条件发生变化，譬如说外界条件发生变化，而使热力系与环境之间产生不平衡势(例如出现温差压差等)，则在此不平衡势推动下将发生能量传递、能量转换和热力系状态的变化。热力系状态连续变化的过程叫做热力学过程，简称热力过程。下

34、面我们来考察一下在有限势差推动下发生的热力过程，例如在有限压差作用下的气体膨胀作功过程。设想气缸内装有一个无重量的活塞，气缸内盛有气体，活塞上载有质量为 m 的重物，如图18 所示。取缸内气体作热力系，假定在初始状态下热力系与外界建立起力的平衡。今若突然将重物移去一有限的部分(例如移去一半)，则热力系与外界间出现力的不平衡，引起气体膨胀作功将留在活塞上的重物举起，产生热力过程p 直至热力系与外界重新建立起力平衡时为止。图1-8 气体在降压下膨胀下面我们进一步来考察一下在此热力过程中系统内部状态的变化。当活塞向上移动时，活塞附近气体层中的分子把自己的动能给予了活塞，因此在活塞附近的气体层里分子的

35、能量以及气体的温度、压力、密度都会降低而不同于远离活塞的气体，这就造成了气体内部的不平衡。不平衡的发生在气体内部引起能量及质量流动，其方向是使气体内部的不均匀性消失而使之达到新的平衡。因此，在有限压差推动下，首先是系统的平衡遭到破坏，然后再从不平衡向新的平衡过渡，而在其全部过程中系统经历的是一系列不平衡状态。这样的过程称为不平衡过程。移去重物的质量愈大，则突然移去后引起热力系内部的不平衡愈明显。如果将重物分成若干小块，并令总质量m nm(其中n, m为别为小块的块数和质量)，然后依次移去一小块，则随着n 的增加,m 的减小所引起的热力系内部的不平衡性也减小。当n的数目极大而使m 为一微小质量时

36、，其所造成的热力系内部的不平衡小到可以忽略。此时，热力系所经历的一系列状态都无限接近于平衡状态，我们称这种过程为准平衡过程。同时，由于推动活塞运动的不平衡力极小，活塞的移动是无限缓慢的，这种过程又叫准静过程。可见，热力系实施准平衡过程的条件是，推动过程进行的不平衡势为无限小。在上述例子中，热力系内外的压差为无限小，即 或 (1-15)式中 p 为热力系内部的压力； psurr为外界环境的压力。以上分析了压差作用下的气体膨胀过程。同样，我们还可以分析温差作用下气体与外界发生热交换的过程及其它势差推动的热力过程。同样，要使得热力系所经历的过程为准平衡过程，则各种势差也应为无限小而趋于0。例如， 在

37、传热过程中应有 或 这即是温差为无限小的传热过程。在准平衡过程中，由于热力系所经历的每一状态对热力学平衡状态的偏离均为无限小，故可视之为平衡状态，因而准平衡过程可在热力状态坐标图上用连续曲线表示，如图17上的曲线12。不平衡过程由于其所经历的状态没有确定的状态参数，故不可能表示在状态参数坐标图上。任何实际过程都是在有限势差推动下进行的，因而都是不平衡过程。所谓准平衡过程，只是实际过程当不平衡势趋于零时的极限过程，是可以设想而不可能达到的。在热力学中，为便于分析，一般地说我们把实际设备中进行的过程当作准平衡过程处理，这是因为不平衡态的出现常常是短暂的。例如在上述例子中，气缸内一旦出现了不平衡，则热力系内将自发进行某一过程而使系统从不平衡向平衡过渡。此过渡时间称为弛豫时间。如果活塞移动得如此缓慢，致使其移动某一距离所经历的时间大于弛豫时间，则气体内部的不均匀性可及时消除，从而可以将此过程视为准平衡过程。实际上，在一般活塞式发动机中，活塞移动的速度常不超过10m/s，而系统内使其压力、温度、密度等趋于均匀的速率却是极高的。例如，气体内压力波的传播速度等于声速，一般为每秒数百米的数量级。因此，将某些实际设备中进行的过程视为准平衡过程常常是可允许的。当然，在某些情况下这样的处理会带来较大的误差，此时应引入考虑不平衡而进行的修正。总结本节内容，我们得到这样的结论：热力系的一切变化过程都是在不