絕熱系統(tǒng)

多層反射絕熱系統(tǒng)的分析模式

我們已經(jīng)知道，影響多層鋁箔反射隔熱系統(tǒng)性能的因素較多，要想確立一個(gè)包括上述影響因素的分析式是十分困難的。但是，為整理實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)和比較各種多層系統(tǒng)的性能；為在工程中使用時(shí)估計(jì)系統(tǒng)的絕熱效果；為了進(jìn)一步研究多層系統(tǒng)的絕熱機(jī)理，建立起多層傳熱量與各影響因素之間的關(guān)系式，還是很有必要的。許多研究者在這方面做了大量的工作，其結(jié)果可用下列幾個(gè)模式概括：

導(dǎo)熱模式

將多層系統(tǒng)看成一個(gè)結(jié)構(gòu)連續(xù)的、性質(zhì)均勻的固體，用傅里葉導(dǎo)熱定律來聯(lián)系傳熱量與各影響因素間的關(guān)系：

上式定義了一個(gè)當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

在理想多層系統(tǒng)的情況下，

有效傳熱系數(shù)模式

這種模式將多層系統(tǒng)的傳熱與對(duì)流傳熱相類比，使用牛頓型傳熱公式來反映各種因素與傳熱量之間的關(guān)系：

這個(gè)式子定義了一個(gè)當(dāng)量熱導(dǎo)，其導(dǎo)數(shù)為熱阻R。

有效輻射率模式

它是使用斯忒藩——玻爾茲曼型公式來表示各影響因素與熱流的關(guān)系：

對(duì)于理想多層系統(tǒng)有：

式（1-1），（1-3），（1-4）之間有下列關(guān)系：

式中，

從式（1-2）、（1-5）可知，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

并聯(lián)熱阻模式

該模式把影響多層系統(tǒng)傳熱的三個(gè)主要方面以各自獨(dú)立的形式與傳熱量聯(lián)系在一起，而不是模糊地用一個(gè)系數(shù)表示。影響多層系統(tǒng)傳熱的三個(gè)主要方面是：與

式中，輻射參數(shù)

式中，

其中，

氣體傳導(dǎo)參數(shù)

其中，R為氣體常數(shù)（J/k），M為氣體分子量（kg/mol）,P為氣體壓力（N/

對(duì)于結(jié)構(gòu)密實(shí)的間隔材料的固體傳導(dǎo)參數(shù)

其中，

對(duì)于網(wǎng)式間隔物：

對(duì)于沒有間隔材料的波形屏：

P為接觸壓力（N/

現(xiàn)將式（1-8）表達(dá)的兩個(gè)相鄰屏之間的傳熱式歸納成多層系統(tǒng)的傳熱式。設(shè)兩邊界的溫度分別是

式中，（N-1）為間隔數(shù)。

隔熱屏的層數(shù)n=N-2。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于必須考慮眾多的因素，因此經(jīng)常得到形式不一的半經(jīng)驗(yàn)公式。

絕熱系統(tǒng)的不可逆變化

我們認(rèn)為一個(gè)熱力學(xué)上的孤立系統(tǒng)，也稱為絕熱系統(tǒng)，在熵變規(guī)律方面，其行為和孤立系統(tǒng)一樣，也就是說，如果一切交換都不是可逆的，則熵增加。

設(shè)（

絕熱系統(tǒng)單熱源的過程

如系統(tǒng)（S）只與一個(gè)溫度為

如果（S）的熵變?yōu)閐S，則總體系的熵變應(yīng)為正：

如果在一過程中熱源輸送了熱量Q，系統(tǒng)（S）的熵變?yōu)?section class="formula-container formula-container__inline"> ，則有：

如果過程是閉合的，則（S）經(jīng)歷一單熱源循環(huán)，這時(shí)就有在（S）的這一循環(huán)過程中

W Q=0. Q0

借助于單一熱源不可能“產(chǎn)生”功。

如果過程是準(zhǔn)靜態(tài)的，

絕熱系統(tǒng)雙熱源循環(huán)

如果系統(tǒng)（S）經(jīng)歷一個(gè)閉合過程，在此過程中它與兩個(gè)溫度恒為

雙熱源循環(huán)包含四段過程：

其中有兩段是系統(tǒng)（S）先于

如果溫度為

（S）由于經(jīng)歷了一個(gè)循環(huán)過程，其熵變?yōu)榱?，這三者組成的總體系的熵變應(yīng)為正：

熱機(jī)的情形：熱機(jī)的效率為

從經(jīng)驗(yàn)知道，對(duì)于一個(gè)封閉的系統(tǒng)，如果除了對(duì)其做功外，系統(tǒng)的狀態(tài)保持不變，則此系統(tǒng)稱為絕熱系統(tǒng)或絕熱封系統(tǒng)。這一結(jié)論不是從熱力學(xué)第一、第二定律中推演出來的，因此有人稱它為熱力學(xué)第負(fù)一定律。因?yàn)榘礋崃W(xué)邏輯，它應(yīng)放在熱力學(xué)第零定律前面，正如第零定律應(yīng)放在第一定律前面一樣，所以稱它為第負(fù)一定律。把這一結(jié)論稱之為定律也說明它在熱化學(xué)和熱力學(xué)方面占有很重要的地位。從著名的焦耳定律實(shí)驗(yàn)可以知道絕熱系統(tǒng)的功對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)的狀態(tài)變化，從而可以導(dǎo)出熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式；有了絕熱系統(tǒng)的定義還可以導(dǎo)得重要的熱平衡概念等。

絕熱壓縮屬于絕熱過程，絕熱過程熱力學(xué)系統(tǒng)始終不與外界交換熱量， 即dQ =0 的過程。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，在絕熱過程中，系統(tǒng)對(duì)外所作的功等于內(nèi)能的減少量。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在可逆的絕熱過程中，系統(tǒng)的熵不變。用良好絕熱材料隔絕的系統(tǒng)中進(jìn)行的過程，或由于過程進(jìn)行得太快，來不及與外界有顯著熱量交換的過程，都可近似地看作絕熱過程。例如內(nèi)燃機(jī)、蒸汽機(jī)汽缸中工作物質(zhì)的膨脹過程， 壓汽機(jī)汽缸中的壓縮過程，汽輪機(jī)噴管中的膨脹過程，以及氣象學(xué)中空氣團(tuán)的升降過程，還有聲波在空氣中的傳播過程等，都可當(dāng)作絕熱過程處理。

絕熱過程是一個(gè)絕熱體系的變化過程，絕熱體系為和外界沒有熱量和粒子交換，但有其他形式的能量交換的體系，屬于封閉體系的一種。絕熱過程有絕熱壓縮和絕熱膨脹兩種。

絕熱過程分為可逆過程（熵增為零）和不可逆過程（熵增不為零）兩種?？赡娴慕^熱過程是等熵過程。等熵過程的對(duì)立面是等溫過程，在等溫過程中，最大限度的熱量被轉(zhuǎn)移到了外界，使得系統(tǒng)溫度恒定如常。由于在熱力學(xué)中，溫度與熵是一組共軛變量，等溫過程和等熵過程也可以視為“共軛”的一對(duì)過程。

絕熱溫升測(cè)定系統(tǒng)

絕熱壓縮與絕熱膨脹通常由氣體壓強(qiáng)的變化引起。

絕熱壓縮發(fā)生在氣壓上升時(shí)，這時(shí)氣體溫度也會(huì)上升。例如，給自行車打氣時(shí)，可以感覺到氣筒溫度上升，這正是因?yàn)闅怏w壓強(qiáng)上升的足夠快到可視為絕熱過程的緣故，熱量沒有逃逸，因而溫度上升。

柴油機(jī)在壓縮沖程時(shí)正是靠絕熱壓縮原理來給燃燒室內(nèi)的混合氣體點(diǎn)火的。

絕熱膨脹發(fā)生在氣壓下降時(shí)，這時(shí)氣體溫度也會(huì)下降。例如，給輪胎放氣時(shí)，可以明顯感覺到放出的氣體比較涼，這正是因?yàn)闅怏w壓強(qiáng)下降的足夠快到可視為絕熱過程的緣故，氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，溫度下降。

這些溫度的變化量可以用理想氣體狀態(tài)方程精確計(jì)算。

絕熱過程是系統(tǒng)在和外界無熱量交換的條件下進(jìn)行的過程。實(shí)現(xiàn)絕熱過程有兩種情況：

①用絕熱材料制成絕熱壁，把系統(tǒng)與外界隔開，就可以近似地實(shí)現(xiàn)這一過程。

②使過程快速進(jìn)行，系統(tǒng)來不及與外界進(jìn)行顯著的熱量交換。例如：內(nèi)燃機(jī)中熱氣體的突然膨脹，

柴油機(jī)或壓氣機(jī)中空氣的壓縮、聲波中氣體的壓縮（稠密）和膨脹（稀疏）等都可近似視為絕熱過程。

作為典型例子，下面介紹理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程和理想氣體自由膨脹過程（非準(zhǔn)靜態(tài)過程）。