準平衡過程

就熱力系本身而言，熱力學僅對平衡狀態進行描述，“平衡”就意味著巨觀是靜止的；而要實現能量的轉換。熱力系又必須通過狀態的變化，即過程來完成，“過程”就意味著變化，意味著平衡被破壞。為使“平衡”和“過程”這兩個矛盾的概念統一，故引入準平衡過程，它是指在無限小勢差的推動下，由一系列連續的平衡態組成的過程。它的實現條件是：推動過程進行的勢差無限小，這樣可保證系統在任意時刻皆無限接近於平衡態。建立準平衡過程概念的好處：可以用確定的狀態參數變化描述過程；可以在參數坐標圖上用一條連續曲線表示過程。

基本介紹

• 中文名：準平衡過程
• 外文名：Quasi equilibrium process
• 別名：準靜態過程
• 本質：它是實際過程的極限情況
• 圖像表示：在PV圖上用實線描述
• 套用學科：熱工基礎

定義

系統由一個狀態到達另一個狀態的變化過程稱為熱力過程，簡稱過程。狀態改變意味著系統原平衡態被破壞。實際熱工設備中進行的過程，都是由於系統內部各處溫度、壓力或密度的不平衡而引起的，所以過程所經歷的中間狀態是不平衡的。

如果在熱力過程中系統所經歷的每一個狀態都無限地接近平衡態，這種過程稱為準平衡過程，又稱為準靜態過程，在狀態參數坐標圖上可以用連續的實線表示。而非平衡過程由於它所經歷的不平衡狀態沒有確定的狀態參數，因而不能表示在狀態參數坐標圖上。

圖像表示

如果用坐標軸代表某兩個狀態參量，則體系的任意平衡態可以用圖上的一個點來描寫，非平衡態卻不能如此描寫，因為非平衡態至少有一個參量是不存在確定值的。

準平衡過程與非平衡過程的PV圖

準平衡過程可以在PV圖上用實線描述，非平衡過程則用虛線代表，它不能用PV圖描述。在準平衡過程中，體系的狀態參量不僅有明確的數值，而且與外界的相應參數（如壓強）數值相同。

準平衡過程中的功

計算準平衡過程中的功的典例。設有一氣缸，活塞的截面積為S。隨著氣體膨脹，活塞移動了dl後，氣體所做的元功為： ，式中dV為氣體容積的改變。設氣體從狀態Ⅰ變化到狀態Ⅱ，在圖中以實線Ⅰ和Ⅱ表示；功dA可以用畫有陰影的小面積來表示。從狀態Ⅰ變化到狀態Ⅱ，氣體總功基本等於上述小面積的總和，即曲線下的面積：

氣體膨脹做功

。

當氣體膨脹，系統對外界做功時，A>0。當氣體被壓縮，外界對系統做功時，A<0。從圖中可知，系統沿虛線所示的過程比沿著實線的過程做的功大。所以，系統由一個狀態變化到另一個狀態時所做的功，不僅取決於它的始末狀態，而且和它經歷的過程有關。套用熱力學第一定律於有限的準平衡過程得：

上式中 是氣體初、末兩個狀態的內能。

套用熱力學第一定律於微小準平衡過程得：

我們知道，氣體的內能為氣體狀態的單值函式，氣體從一狀態變到另一狀態，不論其過程如何，其內能的改變 為一定值。由熱力學第一定律可以推知，氣體從一狀態變到另一狀態，既然內能的變化一定，做功必與過程有關，則氣體吸收或放出的熱量也與過程有關。

注意事項

實際過程

既要使系統的狀態發生變化，又要隨時無限接近於平衡態，只有使過程進行得無限緩慢才有可能實現。實際過程都是以有限的速度、在有限時間內進行的，都是不平衡過程。

弛豫時間

理論上，在沒有外界作用下，一個系統從非平衡態達到完全平衡態需要很長時間，但是從非平衡態趨近平衡態所需時間往往不很長，這段時間叫做弛豫時間。

實際上，在系統內外的不平衡勢（如壓力差、溫度差等）不是很大的情況下，弛豫時間非常短，可以將實際過程近似地看作準平衡過程。例如：在活塞式熱力機械中，活塞運動的速度一般在10 m/s以內，但氣體的內部壓力波的傳播速度等於聲速，通常每秒數百米，相對而言，活塞運動的速度很慢，這類情況就可按準平衡過程處理。

理論意義

準平衡過程是實際過程的極限情況，是一種科學抽象。但是，準平衡過程在熱學研究中卻具有十分重要的意義。實際上，熱力學的定量結論只嚴格地適用於準平衡過程。由於準平衡過程是實際過程的極限情況，所以熱力學結論一方面紿我們提供了實際過程的定量界限（如熱效率），另一方面也為實際過程給出間接的數量關係。當狀態量的變化與過程無關時，可用準平衡過程代替非平衡過程來計算兩個狀態之間的變化）。