热声热机和斯特林热机振荡现象的网络描述

    1　前言

    热和功是两种不同形式的能量,各有自己的传递方式;热是靠温度差传递能量,而功是靠改变系统参数的方法传递能量,这个参数可以是体积、磁场、电场或位势,二者的差别集中体现在熵的传递上。热是熵的传递,ds=du/T,而功是不引起熵传递的能量传递。二者之间的这种本质区别是由于热依靠分子之间的无序碰撞传递能量,而功依靠系统的宏观参数变化来传递能量。在此条件下,分子的运动是相关的、有序的。靠系统的机械力和体积改变来传递能量,习惯上称为膨胀功,这是传统热机在热力学发展中留下的痕迹。近代新技术的发展带来了一系列新的热功转换方式,例如热电循环、磁热循环、热声循环等。因此,以传统的热机为背景的热力学循环在描述方法上就应当加以改进。

    热机循环是闭合的过程,因为热机要持续进行热功转换就必须使工质的状态经历周而复始的闭合变化过程。这个闭合过程的实现除了必须遵循热力学第一和第二定律之外,其实还必须遵循一定的动力学规律,而这一点却由于经典热力学方法采用平衡状态的描述方法而被掩盖掉了。在热机的时间尺度和空间尺度远大于工质热过程尺度的条件下,这种掩盖不会引起大问题。但是,当我们面对介质尺度的热声循环时,这种掩盖往往会导致很大的失真或误解,所以就必须采用别的描述方法。

    2　热力学循环的实质是一种非等熵的振荡过程[1]

    对于最简单的以理想气体为工质的热机,在等熵的条件下,压力只是密度的单值函数,所以振荡可以用一个简单的线性方程描述,即:

p=p(ρ) (1)

　　或p′=c2ρ′,即如图1(3)所示。由于ρ∝1/V,所以它实际上是示功图(但V轴反读),这条直线意味着没有功热转换发生。很显然,等熵振荡不是热力学循环。

    只有在非等熵条件下,工质的振荡参数必须用非线性的方程描述:p=p(ρ,s)

    或

    这时的p-ρ关系必定偏离于等熵线。如果在压力上升时有正熵流(向工质输入热量),那么压力必定升高得比等熵条件下快;于是压力下降时就会有负熵流,它也加速压力的下降速度,如图1(2)所示,形成一个封闭的顺时针循环。如果反过来,在压缩时有负熵流,那么就会如图1(1)所示,成为逆时针循环。前者是声波消耗声功用于泵热,后者对振荡气流做功,加强振荡。这种热力学循环和传统的不同,它不是在宏观的机械系统内完成的,它是在热声部件流体微团和固体填料之间完成的。因此,它是由流体微团完成的一种微热力学循环,这不是习惯的宏观热机循环,而是介于宏观和微观之间的中观现象。