气体动理论和热力学基础,气压传动系统的组成

大家好，我是宗风，今天给大家分享的是热力学相关的知识，因为气体受温度的变化，其性质会有相应的变化，所以在学习气压传动时也有必要要给大家普及一下相关知识

1.热力系统、闭口系统、开口系统、绝热系统

气体在吸热、放热以及热能与机械能的转换过程中表现出来的性质，称为气体的热力学性质。下图a是活塞对封闭的气缸腔内的气体进行压缩。为了研究气缸腔内气体的物理量变化，用边界将腔室容积包围起来，并将边界内部包围着的所有工作介质作为研究对象，则此边界以内的部分就称为热力系统，简称系统。边界以外与系统有联系的物质称为外界。如活塞及其所受的外力F、外界空气及加入的热量Q等都属于外界。下图b所示为向气室充气（或放气）的情况。取边界如图中虚线所示，边界1-1是假想的，其余边界都是真实存在的。

热力系统

通常，系统与外界之间可能有质量交换和能量交换。按系统与外界之间有无质量交换，

可将系统分成闭口系统和开口系统。与外界之间无质量交换的系统，称为闭口系统（见图a)。闭口系统内部的质量是保持不变的。与外界之间有质量交换的系统，称为开口系统(图b)。开口系统有物质穿过边界，系统内部的质量可以变化，也可以不变化。对这种系统，边界所限定的某确定的空间体积称为控制体，其边界称为控制面，并将占有此控制体的工作介质作为研究对象。与外界没有热交换的系统，称为绝热系统。自然界不存在完全绝热的材料，只是当系统与外界传递的热量小到可以忽略不计时，就可假设该系统为绝热系统，以使研究得到简化。

2.状态参数、热力过程、准平衡过程

热力系统在某瞬时呈现的宏观物理状态称为热力状态。它反映着系统内大量气体分子热运动的平均特性。我们把描述系统所处状态的一些宏观物理量称为状态参数，如压力、温度、质量体积等。

在没有外界影响的条件下，系统各部分的状态参数长时间内不发生变化的状态，称为平衡状态。平衡状态是指系统的宏观性质不随时间变化，从微观看，平衡状态下系统内的分子仍在作永不停息的热运动，只不过这种分子热运动的平均效果不随时间变化。若系统与外界发生能量交换，系统的状态就会发生变化。系统从一个状态连续地变化到另一个状态，它所经历的全部过程称为热力过程。严格讲，任何实际的热力过程都是不平衡过程。因为当系统与外界发生能量交换时，原有的平衡状态被破坏，需要经过一段时间才能达到新的平衡状态，但在未达到新的平衡状态之前，系统与外界又发生了新的能量交换，故热力过程中，系统经历了一系列不平衡状态。由于系统工质的宏观运动速度一般都不大，如气动系统的控制元件和执行元件的机械运动速度，一般不超过10m/s，而空气压力波的传播速度每秒达几百米，分子热运动的平均速度每秒也达几百米以上。因此可以假设，由于外界条件的变化，系统内的气体能够极快地建立一系列的新的平衡状态，把气动系统的这种热力过程称为准平衡过程，即过程中的每一个中间状态都可看成是平衡状态，有确定的状态参数。这样，准平衡过程就可用随时间连续变化的状态参数来描述。

3.完全气体及其状态方程

系统与外界只有热功交换的简单系统，在平衡状态下，三个基本状态参数：绝对压力p、质量体积和热力学温度T之间的函数关系，称为气体的状态方程，可表示成：

F(p、v、T)=0

完全气体（perfect gas)是一种假想的气体，它的分子是一些弹性的、不占有体积的质点，分子间除相互碰撞外，没有相互作用力。应当注意，完全气体在热力学书中常译成理想气体，但它与没有粘性的理想气体是完全不同的两个概念。对于完全气体，三个基本状态参数之间保持着一个简单的关系，称为完全气体的状态方程

式中 p—压力（绝对压力），Pa；

υ——质量体积，m2/kg；

R——气体常数，对空气，R=287N·m/(kg·K）；

T热力学温度，K。

完全气体的状态方程也可写成

式中 p——密度，kg/m3；

m——质量，kg；

V——体积，m3。

对一定质量的气体，状态方程可写成

它表达了系统的两个状态的状态参数之间的关系。

实际气体只要不处于很高的压力或很低的温度，都可当作完全气体。按完全气体状态方程计算，带来的误差不会太大。对封闭容器中的气体和流动中的气体，气体状态方程都可使用。对流动中的气体，p、P和T是同一流体质点处于不同位置时的三个基本状态参数。利用气体状态方程，可将有压状态下的气体体积折算成标准状态下的气体体积。设标准状态下气体的压力为p。，温度为T。，体积为Va，将该状态下一定质量的气体压缩成压力为p、温度为T的有压状态，则有压状态下气体的体积

4.热量、功

由于温度不同，在系统和外界之间，穿越边界而传递的能量称为热量。从微观讲，热量是通过物体相互接触处的分子碰撞或以热辐射方式所传递的能量。在传递过程中，物体并不发生宏观运动。只有在传热过程中，才能说系统得到（或失去）了多少热量。传热量的大小不仅与传热过程中系统的初始与终结状态有关，而且与传热的具体过程的特征有关。故热量不是状态参数，而是过程量。热力学中规定，系统吸收热量，Q>0；系统向外界放热，Q

由气体组成的可压缩系统，当其反抗外力的作用使系统的容积增大时，与外界交换的功称为膨胀功。相反，在外力作用下，系统的容积减小，与外界交换的功称为压缩功。这两种功统称容积（变化）功。

将上图所示气缸内的气体选为系统，设气体的压力为p，气缸内盛有mkg气体，活塞是系统的一个可移动的边界，面积为A，活塞所受的外力为F。当系统克服外力进行一个准平衡膨胀过程，由1状态变化到2状态时，系统将对外输出功。若不计摩擦，系统在整个过程中对外所作的功为

1KG气体所做的功为

这就是任意准平衡过程容积功的表达式。只要知道过程中函数p（υ)及过程的始末状态，

就能算出容积功。系统膨胀，dV>0，对外作功，功为正；系统压缩，dV

功的计量单位也是焦耳（J）。单位质量气体的容积功的单位为I/kg。

功不是系统的状态参数，而是过程量。一当过程结束，系统与外界之间的功的传递就停止。

好了 今天就先分享到这里，下一期我们继续分享热力学的另外两个概念：热力学能和可逆/不可逆过程。希望这一起的内容大家能够习惯，支持的朋友请给宗风一个关注和收藏加以支持！谢谢！