气压传动之热力学基本概念2

5.热力学能、焓、熵

物质微观分子运动所具有的能量叫热力学能，它包括分子运动（平动、转动、振动）的动能和分子间由于相互作用力的存在而具有的位势能。由分子运动的理论可知，分子运动的动能是物质温度的函数，分子运动的位势能是物质质量体积的函数，故气体的热力学能

I=f(T,υ)

单位质量气体的热力学能i称为质量热力学能

i=f(T,υ)

热力学能是状态参数。热力学能的单位是焦耳（J)，质量热力学能的单位是J/kg。

根据气体状态方程，质量热力学能也可写成

i=f(T,p)

对完全气体，分子间没有相互作用力，故气体的热力学能只有分子运动的动能。这种情况下，质量热力学能只与温度有关，即

i=f(T)

在热工计算中，热力学能经常与推动功pV同时出现，它们合在一起称为熔H，即

h=i+pV

单位质量气体的烙五称为质量焓，有焓是气体在流动时所具有的微观运动的能量。当1kg气体通过边界流入系统时，不仅将气体的质量热力学能i带进系统，同时还把从后面获得的推动功（也有称为压力能）pm也带进系统。当气体流动滞止时，焓就是气体的总能量。

焓是状态参数。焓的单位是焦耳（J），质量焓的单位是J/kg。

功和热量都是系统内的气体与外界之间传递的能量。功是系统内的气体和外界发生机械作用时传递的能量。对于无摩擦的微元准平衡过程，系统内的气体的膨胀功是8W三p·dV。压力p是工作介质对外作功的推动力，而容积变化则是衡量系统内气体对外作功与否的标志。只有容积发生了变化，系统内的气体才会对外作出膨胀功。

用类比的方法，热量是工作介质和外界发生热交换时传递的能量。系统内气体的温度T对热交换起着“推动力”的作用，那么，也必然有一个气体的状态参数的变化，标志着热交换是否进行。这个状态参数就是熵S。与膨胀功的关系式相类似，写成80=Tds。对微元准平衡过程，有

单位质量气体的熵称为质量熵，有

熵的单位是J/K，质量熵的单位是J/（K·kg）

6.可逆过程和不可逆过程

当某一热力过程完成后，如果令过程逆行，系统和外界都能够回复到它们各自的原始状态，则此过程称为可逆过程。如果没有这种可能，则叫不可逆过程。图2-4a所示，与外界绝热的气缸内气体的压力为p，且处于平衡状态。当突然拿去活塞上的重块时，系统失去力平衡，气体|会突然膨胀，推动活塞对外作功，直到|门系统内压力降至p’为止（见下图）。

不可逆过程例

这样，外界得到的功是p’△V，而系统在膨胀过程中，因压力是由p逐渐降至p’的，其差值消耗在膨胀过程中，活塞与缸筒之间的摩擦损失，以及气体内部的扰动形成的内摩擦损失等。这些损失又以热的形式加回到系统中，使系统的温度比可逆过程的温度高。假如将重块重新放到活塞上（如上图c)，系统不可能回到原来图a的状态，因为压缩过程中，仍存在摩擦损失，而膨胀时以热的形式加于系统的那部分能量，不可能转化为功的形式再用来压缩该系统。如果系统的压力和原来的压力一样，则温度T”一定比原来的温度T高，且容积也比原来的大。可以说，实际的热力过程都是不可逆过程，只不过是不可逆程度有所不同。

不可逆过程中，总的质量熵的变化应等于外界加给系统的热量8q引起的质量熵的变化，以及摩擦损失转化成的热量8q1引起的质量熵的变化之和，即

此式可以说明如下几点：

1）可逆的（δq1=0）绝热（δq=0)系统，其热力过程是等熵过程，即ds=0，s=常

数。

2）可逆过程，熵的增减表明了系统与外界的热交换的方向（加热或放热）。

3）不可逆（存在摩擦损失等，δq1>0）的绝热系统，其热力过程是增熵过程，即

ds>0。

4）不可逆过程中，嫡的变化ds不等于δq/T，ds与过程δq/T值之差是对过程的不可逆程

度的量度。

可逆过程必然是准平衡过程，但准平衡过程只是可逆过程的条件之一，两者是有区别

的。可逆过程要求系统与外界随时保持力平衡和热平衡，而且在过程进行中，没有不可逆损

失（如摩擦)。准平衡过程仅限于系统内部的力的平衡和热的平衡，不涉及系统和外界的能

量交换。譬如，系统与外界稍有力和热的不平衡，只要系统内部及时恢复状态参数均匀便

可。活塞与缸壁之间虽有摩擦，但对系统内部状态参数达到均匀并无妨碍。可见，准平衡过

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。