可逆过程与可逆体积功计算

2023-11-23 理论教育版权反馈

【摘要】：反之，若系统发生状态变化后，在逆向进行时无论用何种方法都不可能使系统和环境完全恢复原状，这样的过程称为不可逆过程。前述的无摩擦的准静态过程即是可逆过程。总之，可逆过程是功效最高的过程，因此掌握可逆过程体积功的计算尤为重要。这个实例计算证实了可逆过程所具有的基本特征。

1.可逆过程与不可逆过程

在热力学中，若系统的每一步状态变化都可以向相反的方向进行，并使系统和环境都恢复原状而不留下任何其他痕迹，这样的过程称为可逆过程。反之，若系统发生状态变化后，在逆向进行时无论用何种方法都不可能使系统和环境完全恢复原状，这样的过程称为不可逆过程（Irreversible process）。

在热力学中，可逆过程是一个非常重要的概念。可逆过程的特点是：自始至终过程的推动力无限小，变化无限小，速度无限慢，时间无限长，由一系列无限接近平衡的状态所构成。前述的无摩擦的准静态过程即是可逆过程。又如：液体在恒温恒压及正常沸点下的汽化，水在101.325kPa及273.15K条件下凝固成冰，可逆电池在内、外电动势相差无限小条件下（Ei =Ee±dE）的充电和放电等。

热力学可逆过程是一种理想的过程，是一种科学的抽象，客观世界中并不真正存在可逆过程，实际过程只能无限地趋近于它。在这种过程中，当系统对外做功时，做最大功；当环境对系统做功时，只需做最小功。从消耗及获得能的观点看，它是最经济、效率最高的过程。如将实际过程与理想的可逆过程进行比较，就可以确定在实际过程中提高过程效率的可能性。因此，它的研究具有重要的意义。热力学可逆过程具有以下几个特征：

（ⅰ）可逆过程是由一连串无限接近于平衡的状态所组成的；

（ii）系统和环境能够由终态沿着原来的途径从相反方向步步回复，直到都恢复原来的状态；

（ⅲ）在恒温可逆过程中，系统对环境做最大功；而环境对系统做最小功。

总之，可逆过程是功效最高的过程，因此掌握可逆过程体积功的计算尤为重要。

2.可逆体积功的计算

下面以气体的膨胀、压缩为例，导出可逆过程体积功的表达式。

将1 mol理想气体装入一导热性很好的汽缸中，并使汽缸置于一个很大的恒温浴中，保持温度恒定为27℃ 。汽缸上有一个无重量又无摩擦的活塞，活塞上放置相当于4.00 × 105Pa的四个砝码，可用于调节外压。下面分别讨论恒温条件下三种不同途径的膨胀和压缩过程所做的体积功。如图2—2所示。

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