[科普中国]-准静态过程

概念由来

热力学系统在外界影响下，从一个平衡态过渡到另一个平衡态的变化过程，称为热力学过程，简称过程。1在过程进行的任一时刻，系统的状态当然不是平衡态。例如，推进活塞压缩气缸内的气体时，气体的体积、密度、温度或压强都将发生变化，在这一过程中任一时刻，气体各部分的密度、压强、温度并不完全相同。靠近活塞表面的气体密度要大些，压强也要大些，温度也高些。在热力学中，为了能利用系统处于平衡时的性质来研究过程的规律，引入了准静态过程的概念。2

概念准静态过程是这样的过程，在过程中任意时刻，系统都无限地接近平衡态，因而任何时刻系统的状态都可以当平衡态处理。也就是说，准静态过程是由一系列依次接替的平衡态所组成的过程。

准静态过程是一种理想过程。实际过程进行得越缓慢，经过一段确定时间系统状态的变化就越小，各时刻系统的状态就越接近平衡态。当实际过程进行得无限缓慢时，各时刻系统的状态也就无限地接近平衡态，而过程也就成了准静态过程。因此，准静态过程就是实际过程无限缓慢进行时的极限情况。这里“无限”一词，应从相对意义上理解。一个系统如果最初处于非平衡态，经过一段时间过渡到一个平衡态，这一过渡时间叫弛豫时间。在一个实际过程中，如果系统的状态发生一个可以被实验查知的微小变化所需的时间比弛豫时间长得多，那么在任何时刻进行观察时，系统都有充分的时间达到平衡态。这样的过程就可以当成准静态过程处理。例如，原来气缸内处于平衡态的气体受到压缩后再达到平衡态所需要的时间，即弛豫时间，大约是10^-3s或更小，如果在实验中压缩一次所用的时间是1s，这时间是上述弛豫时间的10^3倍，气体这一压缩过程就可以认为是准静态过程。实际内燃机汽缸气体经历一次压缩时间大约是10^-2 s，这个时间也已是上述弛豫时间的10倍以上。从理论上对这种压缩过程作初步研究时，也把它当成准静态过程处理。2

表示方法准静态过程可以用系统的状态图，如p-V图（或p-T图、V-T图）中的一条曲线表示。再状态图中，任何一点都表示系统的一个平衡态，所以一条曲线就表示由一系列平衡态组成的准静态过程，这样的曲线叫过程曲线。这条曲线的方程称为过程方程，如图所示是常见的集中等值过程曲线。1

对于准静态过程，功的大小可以直接利用系统的状态参量来计算。在系统保持静止的情况下常讨论的功是和系统体积变化相联系的机械功。2