3.3 热力学过程3.3.1 什么是热力学过程前面讨论的是热力学状态——描述的是工质在某一时刻所处的状态。然而在工程中工质通常不会一直停留在同一状态而是随着加热、冷却、压缩或膨胀不断发生变化。例如水在加热过程中温度不断升高气体在压缩机内压力不断增大制冷剂在膨胀阀中压力迅速降低。工质从一个状态变化到另一个状态的全过程称为热力学过程Thermodynamic Process。因此状态是某一时刻的快照过程则描述状态如何随时间或空间发生变化。3.3.2 为什么要研究热力学过程对于工程计算而言真正关心的通常不是某一个静止状态而是温度如何变化压力如何变化工质吸收了多少热量对外做了多少功能量发生了怎样的转换。这些问题都属于过程分析不是单纯看某一个状态能够回答的问题而必须分析整个过程。3.3.3 过程量与状态量热力学状态只与当前状态有关而与到达该状态的方式无关。例如空气从状态 A 变到状态 B可以先升温再压缩先压缩再升温。最终如果压力和温度相同则热力学状态相同。但两种过程中吸收的热量和对外做的功通常并不相同。因此热量 Q 和功 W 属于过程量Path Functions它们与具体路径有关压力、温度、焓、内能、熵等属于状态量State Functions只由起始和终止状态决定与路径无关。这是工程热力学中一个非常重要的区别也是后续学习第一、第二定律的基础——第一定律里 ΔU 只取决于始末状态而 Q 和 W 各自都依赖路径只有 Q − W ΔU才与路径无关。3.3.4 五种典型理想过程热力学过程通常按照某个状态参数是否保持不变进行分类。工程上最常见的是五种理想过程等温、等压、等容、绝热、多变。工程热力学中最常见的几种理想过程包括热力学过程保持不变的参数热量Q做功W内能变化工程实例等温过程Isothermal温度 T有有理想气体为0缓慢压缩气体、恒温实验等压过程Isobaric压力 p有有有开口容器加热、水泵换热器近似等容过程Isochoric体积 V有无有密闭刚性容器加热绝热过程Adiabatic无热量交换无有有喷管、透平、压缩机近似多变过程Polytropic满足视情况有有实际压缩/膨胀过程需要注意的是这些过程多数属于理想化模型。真实工程过程往往同时伴随热交换摩擦压降不可逆损失因此并不会严格满足上述条件。但这些理想过程仍然具有重要意义因为很多实际过程都可以近似看作某一种理想过程从而大大简化分析。3.3.5 等温过程Isothermal Process整个过程中温度保持不变。对于理想气体由于内能仅与温度有关因此 ΔU 0。根据热力学第一定律QW即系统吸收的热量全部用于对外做功。典型特点温度保持恒定必须持续与外界进行热交换过程通常需要足够缓慢否则难以保持恒温。工程上真正严格的等温过程较少但一些低速压缩过程可近似采用等温分析。3.3.6 等压过程Isobaric Process整个过程中压力保持不变这是工程中最常见的近似过程之一。例如换热器、开口容器加热、冷却液流经散热器压降较小时。在等压过程中流体可以吸热、升温、膨胀做功。对于理想气体吸收热量可表示为这也是定压比热 Cp 所对应的公式——Cp 本质上就是等压过程中的温度—热量关系。3.3.7 等容过程Isochoric Process体积保持不变。由于 dV 0边界不会发生移动也就没有体积功W 0。根据第一定律吸收的热量全部转化为内能增加因此 Cv 描述的是等容过程中温度与热量之间的关系。工程中密闭刚性压力容器受热通常可以近似采用等容分析。3.3.8 绝热过程Adiabatic Process系统与外界没有热量交换即 Q 0。需要注意绝热并不意味着温度保持不变。很多初学者容易混淆绝热 ≠ 等温。实际上绝热压缩时外界对流体做功流体温度升高绝热膨胀时流体对外做功自身温度降低。因此绝热过程中的能量变化主要来自内能与做功之间的相互转换。工程中高速喷管、燃气轮机、压缩机等若与外界换热较小通常近似采用绝热分析。3.3.9 多变过程Polytropic Process真实工程过程很少完全满足等温、等压、等容或绝热。因此工程上常采用描述实际压缩或膨胀过程其中 n 称为多变指数Polytropic Index。不同取值可退化为不同理想过程n对应过程0等压1等温理想气体pVRTγ Cp/Cv可逆无耗散 绝热无热量交换→ 等熵→ ∞等容因此多变过程实际上可以看作各种理想过程的统一表达形式。工程中的压缩机、膨胀机、泵等设备很多都会采用多变过程进行性能分析。3.3.10 五种过程之间的联系虽然五种过程定义不同但它们分析的始终是同一件事情热量、做功以及内能或焓之间如何转换。区别仅在于每一种过程增加了不同的约束条件等温规定温度不变等压规定压力不变等容规定体积不变绝热规定热量交换为零多变以 pVⁿconst 统一描述前四种均为其特例。约束条件不同能量转换方式也随之不同。因此这些过程并不是彼此独立而是同一套热力学规律第一定律在不同条件下的具体表现。3.3.11 本节小结状态是某一时刻的快照过程描述状态如何变化工程真正关心的往往是过程而非孤立状态。热量 Q、功 W 是过程量依赖路径压力、温度、焓、内能、熵是状态量只由始末状态决定——这是理解第一、第二定律的基础。五种典型热力学过程是工程分析的基础模型等温、等压、等容、绝热、多变。Cp 和 Cv 分别对应等压、等容过程中的热量—温度关系。绝热不等于等温两者最容易混淆。多变过程能够描述绝大多数实际工程过程是四种理想过程的统一表达。实际设备通常采用某一种理想过程进行近似分析而不是完全满足其条件这种合理近似是工程热力学分析方法的基础。