系统与平衡状态的概念解析

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：流体流动研究中，研究重点主要在于讨论系统平衡状态随流速的改变情况。系统状态是由系统的性质描述，用来表示系统在当时所处的状况。研究工程热力学、流体力学以及空气动力学等工程问题时，通常是把系统在过程发生的前后平衡状态的改变情况当作问题研究关注的重点。

在研究流体流动问题时，必须先确定问题研究区域并对流体流动情况进行描述，然后才能对问题的重点进行研究。整个研究的过程中这个研究区域称为系统。选取是研究流体问题最初也是最重要的步骤，选取错误会造成问题难度增加，不仅可能造成求解的困难，而且有时根本就无法找到答案。流体流动研究中，研究重点主要在于讨论系统平衡状态随流速的改变情况。

6.2.1 系统、环境与边界的定义

流动研究关注的区域范围称为系统（System），系统以外的一切事物统称为环境（Surrounding），将系统和外界分开的真实或者假想表面称为系统的边界（Boundary），如图6-1所示。

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图6-1 系统、环境与边界的示意图

系统的选取主要依研究关注的重点而定，例如老师在课堂授课关心的是学生学习状况与课堂秩序，教室就成为系统，教室以外的一切事物就是环境，而教室与教室之间由教室的门、墙以及窗户来分隔，因此它们就是边界。如果老师在课堂授课时关心的不是学生学习状况，而是督学是否有无经过查课，此时教室外的一切事物才是系统，而教室反而变成环境（Surrounding）。实践表明问题研究过程中，如果系统选取错误，可能造成求解过程的困难，甚至可能根本无法求解。正如同老师在教学中把教室以外的事物当作系统时，这个老师就已经丧失在课堂教学的资格、本质与意义。由此可知，系统的选取在整个问题研究的过程中是最初也是最重要的步骤，在整个问题求解的过程中扮演着非常重要且具有决定性的角色。

6.2.2 系统的类型

根据系统与系统边界之间的质量交换关系可以将研究区域分成控制质量系统与控制体积系统两种类型。

1．控制质量系统

所谓控制质量系统（Control mass system，CM）是指在过程进行时，本身与外部边界并不发生质量交换作用的系统，在热力工程的计算中，它又称为封闭系统（Closed system）。控制质量系统内部流体的质量维持不变，可能改变的只有系统本身的位置、体积或形状，如图6-2（a）所示。

2．控制体积系统

所谓控制体积系统（Control volume system，CV）是指在过程进行时，内部的质量因为流体流过系统边界或者控制表面（Control surface）而发生改变的系统。在热力工程的计算中，它又称为开放系统（Open system）。控制体积系统本身与外部边界或控制表面发生质量的交换作用，如图6-2（b）所示。

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图6-2 不同系统类型的示意图

6.2.3 系统性质与状态的定义

性质是用来描述系统状态的物理量，例如体积、压力、温度、密度……都属于系统性质。系统状态是由系统的性质描述，用来表示系统在当时所处的状况。根据系统的性质是否与系统内的质量相关可以将系统的性质分成外延性质与内延性质两种类型。

（1）外延性质。外延性质（Extensive property）指与系统内部质量有关的性质，例如系统的体积、质量等都属于系统的外延性质。

（2）内延性质。内延性质（Intensive property）指与系统内部质量无关的性质，例如系统的压力、温度、密度等都属于系统的内延性质。

如果将系统的外延性质除以系统总质量称为系统的比性质（Specific property），例如，在公式中，v为系统的比容（specific volume），∀为系统的体积，而m为系统的总质量。

6.2.4 系统平衡状态与过程的定义

从微观的角度看来，系统的性质会不断地发生变化，但是从宏观的角度看来，系统的状态也就是整个系统性质的平均值几乎是维持不变的话，此时系统状态就称为平衡状态（Equilibrium state）。研究工程热力学、流体力学以及空气动力学等工程问题时，通常是把系统在过程发生的前后平衡状态的改变情况当作问题研究关注的重点。在工程计算中，如果要研究或描述流体流动过程，通常观察过程发生前后的压力、温度与密度等物理性质的改变量。除此之外，流速也是研究的重点。在稳态一维的流动中，流体的流速采用平均速度的概念进行近似处理，所以是一个标量。然而实际的流体流动问题中流速是一个向量，如果要进一步掌握流体流动问题，就必须了解标量与向量的区分。

系统与平衡状态的概念解析

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