受限量子循環(huán)和弱耗散熱力學(xué)循環(huán)的性能特性及其優(yōu)化理論.pdf

1、隨著納米技術(shù)的進(jìn)步，生產(chǎn)和制造微納尺度設(shè)備成為可能。在小尺度系統(tǒng)中，當(dāng)溫度足夠低使得氣體粒子的平均熱波長(zhǎng)與系統(tǒng)尺度可相比時(shí)，將產(chǎn)生不同于宏觀尺度系統(tǒng)的一些有趣的物理現(xiàn)象，例如各項(xiàng)異性的壓強(qiáng)、由尺度不同引起的氣體定向流動(dòng)、熱尺度效應(yīng)、廣延量不再滿足廣延性要求等。小尺度系統(tǒng)的尺度效應(yīng)改變了傳統(tǒng)熱力學(xué)過(guò)程及設(shè)備的特性，同時(shí)也給人們提供了利用這些性質(zhì)設(shè)計(jì)新設(shè)備的可能。對(duì)尺度效應(yīng)的研究對(duì)于將來(lái)小尺度的量子設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造具有重要意義。另一方面，有

2、限時(shí)間熱力學(xué)主要研究非平衡系統(tǒng)在有限時(shí)間中能流和熵流的規(guī)律，其產(chǎn)生和發(fā)展使得熱力學(xué)循環(huán)模型更加趨近于實(shí)際過(guò)程并被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、能源技術(shù)、化工、熱經(jīng)濟(jì)學(xué)等方面，特別在優(yōu)化熱力學(xué)循環(huán)性能的研究中已取得極其大量的重要成果，并成為現(xiàn)代熱力學(xué)的一個(gè)重要分支。
　　本文將在上述兩個(gè)重要的研究領(lǐng)域開展進(jìn)一步的研究。主要內(nèi)容包括:研究尺度效應(yīng)對(duì)節(jié)流膨脹過(guò)程的影響;利用熱尺度效應(yīng)構(gòu)建新穎的量子熱機(jī)循環(huán)及量子制冷機(jī)循環(huán)模型并研究其性能特

3、性;利用弱耗散假設(shè)研究傳質(zhì)傳熱耦合的不可逆化學(xué)機(jī)的優(yōu)化性能特性;討論弱耗散二能級(jí)量子卡諾循環(huán)的性能特性;研究一類由兩個(gè)多方過(guò)程及兩個(gè)絕熱過(guò)程組成的廣義卡諾熱機(jī)和一些工作于其它型的兩個(gè)能庫(kù)間的類卡諾循環(huán)的性能特性。相關(guān)研究?jī)?nèi)容在第二至第七章中作具體討論。
　　在第二章中，對(duì)于限制在一個(gè)固定橫截面的長(zhǎng)管中的理想量子氣體，由其巨勢(shì)求得熵和壓強(qiáng)的表達(dá)式，再結(jié)合基本的熱力學(xué)關(guān)系求得在固定縱向壓強(qiáng)和橫截面積下熱容的表達(dá)式，進(jìn)一步求得該系統(tǒng)的線

4、性膨脹系數(shù)和焦耳-湯姆孫系數(shù)的表達(dá)式。詳細(xì)討論了有限尺度對(duì)于熱容、膨脹系數(shù)和焦耳-湯姆孫系數(shù)的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)該受限系統(tǒng)的焦耳-湯姆孫系數(shù)的絕對(duì)值隨著系統(tǒng)尺度和溫度的減小而增加。
　　在第三章中，利用小尺度系統(tǒng)的熱尺度效應(yīng)構(gòu)建了一種新型量子熱機(jī)模型。該熱機(jī)由兩根工作于兩個(gè)熱庫(kù)之間的長(zhǎng)度相同但橫截面積不同的長(zhǎng)管組成，管中充滿了理想量子氣體。該熱機(jī)循環(huán)由兩個(gè)等溫過(guò)程，兩個(gè)保持縱向壓力相等的等壓過(guò)程組成?；谑芟蘩硐肓孔託怏w的熱力學(xué)性

5、質(zhì)，導(dǎo)出該循環(huán)的功率和效率的一般表達(dá)式，討論了尺度效應(yīng)對(duì)其影響，揭示了以理想玻色氣體與以理想費(fèi)米氣體為工質(zhì)的區(qū)別。并進(jìn)一步分析了在弱簡(jiǎn)并和高溫情況下該熱機(jī)的性能特性。
　　在第四章中，基于受限理想玻色氣體系統(tǒng)的熱尺度效應(yīng)，一種量子制冷機(jī)循環(huán)模型的設(shè)計(jì)理念被首次提出。該制冷機(jī)由兩個(gè)長(zhǎng)度相同但是橫截面積不同的充滿理想玻色氣體的長(zhǎng)管組成，并工作于兩個(gè)熱庫(kù)之間。導(dǎo)出該制冷機(jī)的制冷率和制冷系數(shù)的表達(dá)式，討論了尺度效應(yīng)對(duì)其影響，揭示了該制冷機(jī)

6、的一般工作特性。
　　在第五章中，基于弱耗散假設(shè)，建立了一個(gè)考慮了有限時(shí)間傳熱與傳質(zhì)的不可逆化學(xué)機(jī)循環(huán)模型。該模型包括了等溫化學(xué)機(jī)、非等溫化學(xué)機(jī)和一系列熱機(jī)模型。得到了該循環(huán)系統(tǒng)的輸出功率及效率表達(dá)式。求出了在給定效率時(shí)的最大輸出功率，畫出了對(duì)應(yīng)的功率效率曲線。確定了該循環(huán)系統(tǒng)在最大輸出功率下效率的界限。所得的結(jié)果可以直接被用來(lái)討論非等溫化學(xué)機(jī)、等溫化學(xué)機(jī)和熱機(jī)的優(yōu)化性能。進(jìn)而，若令模型中的兩個(gè)耗散系數(shù)取不同的值，則所得的結(jié)果可直

7、接用來(lái)推導(dǎo)傳統(tǒng)熱機(jī)及量子熱機(jī)、隨機(jī)熱機(jī)等一些新穎熱力學(xué)循環(huán)模型的優(yōu)化性能。
　　在第六章中，通過(guò)采用一般的能譜關(guān)系和考慮量子系統(tǒng)中的疊加效應(yīng)，提出了一個(gè)二能級(jí)量子卡諾循環(huán)的一般循環(huán)模型。應(yīng)用弱耗散假設(shè)求出了循環(huán)系統(tǒng)輸出功率和效率的一般表達(dá)式，獲得了該循環(huán)的輸出功率與效率的優(yōu)化關(guān)系，確定了該循環(huán)的最佳工作區(qū)間。而且，導(dǎo)出了該循環(huán)在最大輸出功率時(shí)效率的解析表達(dá)式，給出了最大輸出功率時(shí)效率的上下界限。所得的結(jié)果具有一般性，可直接用來(lái)討論