绝热系统是指不与外界发生热量交换的热力学系统,但其可以与外界发生物质交换、功交换。这种系统中的热力学过程是绝热过程。绝热系统是热力学中为便于分析和计算而引进的一种理想化模型,实际上不存在真正的绝热系统。
绝热系统是指不与外界发生热量交换的热力学系统,但其可以与外界发生物质交换、功交换。这种系统中的热力学过程是绝热过程。绝热系统是热力学中为便于分析和计算而引进的一种理想化模型,实际上不存在真正的绝热系统。
从经验知道,对于一个封闭的系统,如果除了对其做功外,系统的状态保持不变,则此系统称为绝热系统或绝热封系统。这一结论不是从热力学第一、第二定律中推演出来的,因此有人称它为热力学第负一定律。因为按热力学逻辑,它应放在热力学第零定律前面,正如第零定律应放在第一定律前面一样,所以称它为第负一定律。把这一结论称之为定律也说明它在热化学和热力学方面占有很重要的地位。从著名的焦耳定律实验可以知道绝热系统的功对应着系统的状态变化,从而可以导出热力学第一定律的数学表达式;有了绝热系统的定义还可以导得重要的热平衡概念等。
多层反射绝热系统的分析模式
我们已经知道,影响多层铝箔反射隔热系统性能的因素较多,要想确立一个包括上述影响因素的分析式是十分困难的。但是,为整理实验测试数据和比较各种多层系统的性能;为在工程中使用时估计系统的绝热效果;为了进一步研究多层系统的绝热机理,建立起多层传热量与各影响因素之间的关系式,还是很有必要的。许多研究者在这方面做了大量的工作,其结果可用下列几个模式概括:
导热模式
将多层系统看成一个结构连续的、性质均匀的固体,用傅里叶导热定律来联系传热量与各影响因素间的关系:
…… (1-1)式中,I为垂直于多层系统方向上的比热流(W/ ); 、 为热、冷边界面的温度(K); 为当量导热系数(W/ );d为多层系统的厚度(m)。上式定义了一个当量导热系数
,将影响多层系统将影响多层系统绝热性能的大部分因素都反映在这个系数中。但是,这个当量导热系数并非代表一个热物理性质,多层系统也不是连续均匀的固体,因此在计算传热量以及不同的多层系统的性能并进行比较而用到 的时候,必须注意求得它的各种条件。在理想多层系统的情况下,
…… (1-2)
有效传热系数模式
这种模式将多层系统的传热与对流传热相类比,使用牛顿型传热公式来反映各种因素与传热量之间的关系:
…… (1-3) 式中, 为当量传热系数(W/ )。
这个式子定义了一个当量热导,其导数为热阻R。
有效辐射率模式
它是使用斯忒藩——玻尔兹曼型公式来表示各影响因素与热流的关系:
…… (1-4) 式中, 为斯忒藩——玻尔兹曼常数; 为当量发射率。
对于理想多层系统有:
…… (1-5)式(1-1),(1-3),(1-4)之间有下列关系:
…… (1-6)
式中,
为多层系统的特征温度,它可定义为:…… (1-7)
从式(1-2)、(1-5)可知,当量导热系数
反比于n/d;而当量发射率 反比于n。但是在实际系统中,当n/d增加时,接触导热有所增加。因此在实际中并不是n/d越大越好,而应根据具体情况选择。并联热阻模式
该模式把影响多层系统传热的三个主要方面以各自独立的形式与传热量联系在一起,而不是模糊地用一个系数表示。影响多层系统传热的三个主要方面是:与
成正比的层间辐射;与成正比的层间气体传导和与T成正比的固体传导。设两个相邻屏K和K+1的表面发射率为和,温度分别为和,屏间间隔材料的光学厚度为,屏间气体压力为,则其传热量可表达为:…… (1-8)
式中,辐射参数
(W/)为…… (1-9)
式中,
为光学厚度定义为…… (1-10)
其中,
为单色消光系数,,L为间隔层厚度,为光子平均自由程。气体传导参数
(W/)为 …… (1-11)其中,R为气体常数(J/k),M为气体分子量(kg/mol),P为气体压力(N/
)。对于结构密实的间隔材料的固体传导参数
(W/)为…… (1-12)
其中,
为接触传热系数。对于网式间隔物:
…… (1-13)为接触系数;
对于没有间隔材料的波形屏:
…… (1-14)(W/)的经验公式之一是:(W/) …… (1-15)
P为接触压力(N/
)。现将式(1-8)表达的两个相邻屏之间的传热式归纳成多层系统的传热式。设两边界的温度分别是
和;多层系统为均匀分布,即,则有:…… (1-16)
式中,(N-1)为间隔数。
隔热屏的层数n=N-2。
在实际应用中,由于必须考虑众多的因素,因此经常得到形式不一的半经验公式。
绝热系统的不可逆变化
我们认为一个热力学上的孤立系统,也称为绝热系统,在熵变规律方面,其行为和孤立系统一样,也就是说,如果一切交换都不是可逆的,则熵增加。
设(
)为由系统(S)和一个或数个热源组成的体系。如只在(S)与热源之间可以交换热量,整个体系就是一个绝热体系。如系统(S)只与一个温度为
的热源进行热交换,则它所进行的过程叫做单热源过程,当此热源传给(S)热量时,可以设想一个可逆过程,在此过程中它吸收的热量,以此来计算其熵变:。如果(S)的熵变为dS,则总体系的熵变应为正:
→。如果在一过程中热源输送了热量Q,系统(S)的熵变为
,则有:如果过程是闭合的,则(S)经历一单热源循环,这时就有在(S)的这一循环过程中
W+Q=0. Q0
借助于单一热源不可能“产生”功。
如果过程是准静态的,
,因而Q和W均为零。如果系统(S)经历一个闭合过程,在此过程中它与两个温度恒为
与的热源与交换热量,我们就说它经历了一个双热源循环。双热源循环包含四段过程:
其中有两段是系统(S)先于
,然后与接触的过程,它们由两段绝热过程分开,系统就是通过这两个绝热过程从与一个热源接触过渡到与另一热源接触。我们注意到,准静态双热源循环就是卡诺循环。如果温度为
和的热源以不可逆的方式将热量与传给系统(S),则它们的熵变为和;(S)由于经历了一个循环过程,其熵变为零,这三者组成的总体系的熵变应为正:
,即(克劳修斯不等式)。热机的情形:热机的效率为
即,这是因为在这个循环中.热机从高温热源吸收热量,为正,克劳修斯不等式可写为,即.是热机在作准静态循环时的效率,因此。