Адиабатический процесс

Адиабатный процесс в термодинамике

Адиабатический процесс

Связь с первым началом термодинамики

Влияние первого начала термодинамики на протекающий адиабатический процесс

Применение адиабатного процесса для расчета тепловых машин

Термодинамический процесс, происходящий в теплоизолированной системе, либо протекающий с большой (взрывной) скоростью, исключающей передачу тепла в окружающую среду, называется адиабатическим (адиабатным).

Этот процесс характеризуют несколько основных моментов. Например, адиабатический процесс обычно развивается энергично и быстро. В термодинамике все адиабатные процессы протекают, обычно, мгновенно.

В результате обобщения опытных фактов был создан первый закон термодинамики.

Уравнение первого закона термодинамики: определяет, что в результате адиабатического процесса расширения совершается работа, а температура и внутренняя энергия идеального газа уменьшается. Следовательно, количество теплоты поглощенной системой, увеличивает ее внутреннюю энергию, совершающую работу над внешними объектами.

Энергия, согласно первому закону термодинамики, не создается и не исчезает, она передается и превращается из одной формы в другую. При адиабатном процессе сжатия увеличивается энергетический потенциал и повышается температура. Следовательно, изменения состояния системы в адиабатическом процессе одинаковы по значению и противоположны по знаку.

Экспериментальное подтверждение этого термодинамического явления осуществляется двумя способами:

Адиабатный процесс производится с большой скоростью, исключающей теплообмен с окружающей средой.

Осуществляется полная теплоизоляция системы от влияния внешней среды.

В обоих случаях эксперимент описывается уравнением: . Если адиабатный процесс отобразить графически на координатной плоскости, то получим кривую, называемую адиабатой. Она выглядит более крутой, чем постоянная изотерма, вследствие одновременного увеличения объема с уменьшением температуры.

Вывод, полученный экспериментально, теоретически подтвержден формулой: , т. к. вследствие увеличения объема идеального газа уменьшается концентрация молекул исследуемого вещества. Значит, на уменьшение давления оказывают влияние два фактора – температура газа Т, концентрация молекул n.

Связь с первым началом термодинамики

Между первым законом термодинамики и адиабатным процессом прослеживается четкая связь. Первый закон термодинамики гласит – изменение внутренней энергии системы, связанной с развитием термодинамического процесса пропорционально работе, совершаемой данным элементов и изменением количества тепла идеального газа.

Стандартная формула первого начала термодинамики: . Если видоизменить это выражение, применительно к происходящему адиабатному процессу, протекающему только в условиях полного отсутствия теплообмена с внешней средой, то оно примет несколько иной вид.

Полученная новая формула, примет следующий вид: . Рассмотрим подробнее это видоизменение.

Адиабатический процесс происходит в условиях отсутствия теплообмена между системой и внешней средой, следовательно, изменение количества тепловой энергии в уравнении первого термодинамического закона dQ = 0. Переносим одно из слагаемых из правой части формулы в левую часть, и получаем уравнение, описывающее адиабатический процесс: .

Влияние первого начала термодинамики на протекающий адиабатический процесс

Для определения взаимосвязи первого закона термодинамики на адиабатный процесс, нужно представить, что в замкнутой, теплоизолированной системе процесс уже завершился.

Не вдаваясь в незначительные детали и нюансы можно с уверенностью утверждать – газ, расширяясь, совершает работу, при этом уменьшается его внутренняя энергия.

Следовательно, работа, совершаемая при адиабатном расширении газа, производится посредством энергетического потенциала газа.

С другой стороны, при адиабатическом сжатии газа его тепловая энергия возрастает, при этом в ходе этого процесса изменяются основные характеристики вещества – объем, давление, температура. Поэтому, называя адиабатический процесс изопроцессом, исследователи совершают грубую ошибку.

После открытия и четкого описания адиабатического процесса, физиками произведено большое количество практических экспериментов, приведших к разработке первой теоретической модели, связавшей адиабатный процесс с универсальным циклом Карно.

Эта модель помогла ученым-физикам установить предельные возможности тепловых машин.

У модели есть некоторые недостатки, например с ее помощью сложно описать некоторые природные явления из-за отсутствия изотерм, требующих предварительного определения скорости термодинамических процессов.

Применение адиабатного процесса для расчета тепловых машин

В современной энергетике свыше 90% электрической энергии производится на ТЭС (тепловых электростанциях). Рабочим телом, заставляющим вращаться турбины, является перегретый водяной пар, получаемый при кипении воды.

Отвод тепла в ходе адиабатического процесса при расширении пара, передающего накопленную энергию турбине, осуществляется по изобаре. На реактивных и турбовинтовых двигателях самолетов это явление происходит дважды – при сжатии воздуха и последующем расширении.

Для теоретического обоснования понятия адиабатического процесса, физики-теоретики вывели расчетные формулы.

В них имеется константа, получившая название — параметр адиабаты. Параметр не зависит от условий внешней среды и для двухатомного газа равно 1,4. Рассчитывается этот показатель исходя из двух характеристик – изохорной и изобарной теплоемкости конкретного физического тела. Формула величины действующей в системе адиабаты имеет следующий вид: .

Для увеличения и стабилизации рабочего потенциала пара осуществляется его перегрев. Перегретый пар под максимально возможным давлением подается на паровую турбину. В результате происходящего адиабатического процесса расширения идеального пара совершается работа, и турбина начинает вращаться.

Ее вращение передается на электрогенератор, вырабатывающий электрическую энергию. КПД системы связан с увеличением давления и температуры перегретого водяного пара.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что адиабатный процесс в термодинамике активно используется для производства механической и электрической энергий.

Источник: https://sciterm.ru/spravochnik/adiabatnij-process-v-termodinamike/

Связь с первым началом термодинамики

Рисунок 2. Адиабатический процесс. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Адиабатный процесс возможно легко связать с первым законом термодинамики. Его определение “по умолчанию” звучит следующим образом: изменение количества тепловой энергии в системе при протекании в ней определенного термодинамического процесса будет прямо пропорционально сумме изменения тепла идеального газа и работы, которая совершается данным элементом.

Если записывать первое начало термодинамики в его первоначальном, стандартном виде, то получим такое выражение: $dQ = dU + dA$. А теперь попробуем видоизменить это уравнение применительно к действию адиабатического процесса. Как было сказано ранее, подобные явление протекают только при условии отсутствия теплообмена с окружающей средой.

Замечание 1

В таком случае новая формула, описывающая более детально первое начало термодинамики, примет уже совершенно иной вид: $dA = -dU$. Теперь немного подробнее о самом видоизменении.

Если говорить о том, что теплообмена между активно действующими в конкретной системе телами не происходит, тогда изменение количества тепловой энергии (обозначенное в уравнении первого термодинамического закона через $dQ$) будет в обязательно порядке равно нулю. Следовательно, можно перенести одну из слагаемых частей из правой части в левую, после чего получить модернизированную формулу, приведенную к описанному ранее виду.

Влияние первого начала термодинамики на адиабатический процесс

Рисунок 3. Первый закон термодинамики к различным процессам. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Чтобы определить воздействие первого закона термодинамики на адиабатный процесс, необходимо чисто теоретически предположить, что в системе произошло уже данное явление.

В этом случае возможно, не вдаваясь в мельчайшие нюансы и детали, утверждать, что газ при постепенном расширении совершает работу, но при этом теряет собственную внутреннюю энергию.

Другими словами, совершаемая при адиабатном расширении газа работа будет осуществляться только посредством убыли энергетического потенциала.

Следовательно, в качестве недопущение такого исхода лучше применять понижение температуры действующего в системе вещества. Абсолютно логично можно определить, что, если газ будет адиабатически сжат, его тепловая энергия вырастет в несколько раз.

Несложно заметить, что в ходе этого процесса будут изменяться все ключевые характеристики исследуемого вещества. Речь идет о его объеме, давлении и температуре.

Поэтому, грубой ошибкой исследователей стало название адиабатического процесса изопроцессом.

Вскоре после того, как был открыт и описан адиабатический процесс, физики начали проводить огромное количество различных исследований. Так, была разработана первая теоретическая модель, которая имеет непосредственное отношение к универсальному циклу Карно.

Именно она позволила ученым установить условные границы, ограничивавшие дальнейшее развитие тепловых машин. Однако в случае некоторых природных явлений осуществлять данную модель достаточно трудно.

Все дело в том, что в его состав в основном входят изотермы, которые требуют изначального задания определенной скорости термодинамических процессов.

Использование адиабатного процесса в теоретических циклах тепловых машин

На самом деле на сегодняшний день более 90% электроэнергии вырабатывается только на тепловых электростанциях. В них в качестве рабочего тела применяется водяной пар, который возможно получают при кипении воды в адиабатном процессе.

По аналогии с устаревшими поршневыми автомобилями работают и турбинные. Но в них адиабатический процесс отвода тепловой энергии по завершении постепенного расширения газа выполняется исключительно по изобаре. На самолетах с турбовинтовым и газотурбинным двигателями изучаемое явление совершается дважды: при расширении и сжатии.

Замечание 2

Чтобы обосновать все основополагающие и применяемые в науке понятия адиабатического процесса, ученые вывели расчетные формулы.

Здесь фигурирует одна основная величина, которая получила название параметр адиабаты. Его значение для двухатомного газа при любых условиях равно 1,4. Для расчета этого показателя адиабаты применяются две характеристики, а именно: изохорная и изобарная теплоемкости физического тела. Отношение их $k=\frac{Cp}{Cv}$ – и есть показатель действующей в системе адиабаты.

Чтобы повысить и удержать рабочий потенциал пара, его желательно перегреть. Затем при максимально высоком давлении данный элемент подается на паровую турбину. Здесь также совершается адиабатический процесс расширения идеального пара. Турбина получает необходимое вращение, которое передается на электрогенератор.

Тот, в свою очередь, вырабатывает электроэнергию для потребителей. В идеале увеличение эффективности лучше связать с повышением давления и температуры водяного пара. Как видно из вышесказанного, адиабатный процесс в термодинамике является достаточно распространенным в производстве электрической и механической энергий.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/termodinamika/adiabatnyy_process_v_termodinamike/

Адиабатический процесс

Адиабатический процесс

Адиабатический процесс. Если сосуд с расширяющимся газом теплоизолировать от окружающей среды, то теплообмен будет отсутствовать, т. е. Q = 0. Процесс, происходящий при соблюдении этого условия, называется адиабатическим.

Уравнение первого начала термодинамики при учете условия Q = 0 прини­мает вид

0 = ΔU + A или A = – ΔU. (109)

Следовательно, при адиабатическом процессе работа совершается только за счет внутренней энергии газа. При адиабатическом расширении газ совершает работу, а его внутренняя энергия и, следовательно, температура падают. При адиабатическом сжатии работа газа отрицательна (внешняя среда производит работу над газом), внутренняя энергия и температура газа возрастают.

Адиабатический процесс можно реализовать практически и при отсутствии хорошей теплоизоляции. Но тогда необходимо вести процесс столь быстро, чтобы за время его осуществления не произошел сколько-нибудь существенный теплообмен с внешней средой.

Теплоемкость при адиабатическом процессе

. (110)

Выведем уравнение кривой, изображающей адиабатический процесс на рV-диаграмме. Уравнение состояния моля газа имеет вид:

pV = RT. (111)

При бесконечно малом изменении состояния совершаемая работа А = pdV, а изменение внутренней энергии, согласно (83), ΔU –> CVdT. Подставляя эти значения A и ΔU в уравнение первого начала термодинамики (109), получим:

CVdT + pdV = 0. (112)

Это есть уравнение адиабаты в дифференциальной форме. Поскольку оно содержит все три параметра — р, V и Т, — то для исключения одного из них воспользуемся уравнением состояния (111), предварительно продифференцировав его:

pdV + Vdp = RdT. (113)

Умножая уравнение (112) на R, а (113) — на СV искладывая их, получим

(CV + R)pdV + CVVdp = 0. (114)

Принимая во внимание, что для идеального газа CV + R = = Ср, разделим уравнение (114) на произведение CVpV и введем обозначение

. (115)

Тогда (114) примет вид

. (116)

Учитывая, что постоянный множитель γ можно внести под знак дифференциала, преобразуем (116) к виду

d[γlnV + lnp] = 0. (117)

Отсюда следует, что величина, стоящая в скобках, должна быть постоянной. Обозначим эту константу как ln(const). Тогда

γlnV + lnp = ln(const). (118)

Учитывая, что γlnV = lnVγ и потенцируя выражение (118), получим

pVγ = const. (119)

Это и есть уравнение адиабаты. Его также называют уравнением Пуассона.

Поскольку γ > 1. то кривая, изображаемая этим уравнением (рис. 39), идет круче изотермы pV = const, которая для сравнения показана на том же чертеже штрих-пунктиром.

Видно, что при адиабатическом расширении из точки I кривая (119) опускается ниже изотермы, т. е. газ охлаждается, а при адиабатическом сжатии кривая (119) поднимается выше изотермы, т. е. газ нагревается.

Величина работы адиабатического процесса может быть особенно просто вычислена с помощью уравнения (109):

A = -CVΔT = -CV(T2 – T1) = CV(T1 – T2). (120)

Используя формулу (115), выражение (120) можно преобразовать к виду:

(121)

Для нахождения же конечной температуры T2 можно, комбинируя (111) и (119), получить соотношение

TVγ–1 = const. (122)

Для одноатомного газа Cv = 12,5 кДж/(кмоль*К), СP = Cv + R = 20,8 кДж/(кмоль*К), и показатель степени адиабаты равен примерно 1,67. Для двухатомных газов при обычных температурах . Для многоатомных газов при возбуждении их колебательных степеней свободы теплоемкости СP и Cv имеют еще большие значения и показатель степени адиабаты

(123)

еще ближе к единице.

В быстроходных двигателях внутреннего сгорания и при истечении газов через сопла реактивных двигателей процесс расширения газа протекает настолько быстро, что его можно считать практически адиабатическим и рассчитывать по уравнению (119).

Рис. 39. Адиабата и изотерма

Так как у> 1, то из (122) следует, что при адиабатическом сжатии газ нагревается, а при адиабатическом расширении — охлаждается. Это явление находит применение в дизелях, где воспламенение горючей смеси осуществляется путем адиабатического сжатия.

Нагревание газа при адиабатическом сжатии объясняется тем, что во время сжатия над газом производится работа, которая идет на увеличение его внутренней энергии. А так как внутренний энергия идеального газа зависит только от температуры, то это увеличение внутренней энергии проявляется в повышении его температуры.

Аналогично объясняется и охлаждение газа при адиабатическом расширении. Охлаждение газа при адиабатическом расширении используется в холодильных машинах.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/5_72510_adiabaticheskiy-protsess.html

Что такое адиабатический процесс?

Адиабатический процесс

Чтобы построить тепловую машину, которая может выполнять работу за счет использования теплоты, необходимо создать определенные условия. Прежде всего, тепловая машина должная работать в циклическом режиме, где ряд последовательных термодинамических процессов создают цикл.

В результате совершения цикла газ, заключенный в цилиндр с подвижным поршнем, совершает работу. Но одного цикла для периодически действующей машины мало, она должна выполнять циклы раз за разом в течение определенного времени.

Суммарная работа, выполненная в течение заданного времени в реальности, деленная на время дает еще одно важное понятие – мощность.

В середине XIX века были созданы первые тепловые машины. Они производили работу, но затрачивали большое количество теплоты, получаемой при сгорании топлива. Именно тогда физики-теоретики задались вопросами: «Как газ работает в тепловой машине? Как получить максимум работы при минимуме использования топлива?»

Чтобы выполнить анализ работы газом, понадобилось ввести целую систему определений и понятий. Совокупность всех определений и создала целое научное направление, получившее название: «Техническая термодинамика».

В термодинамике был принят ряд допущений, нисколько не умаляющих основные выводы. Рабочее тело – эфемерный газ (не существующий в природе), который может быть сжат до нулевого объема, молекулы которого не взаимодействуют между собой.

В окружающей природе существуют только реальные газы, которые имеют вполне определенные свойства, отличимые от идеального газа.

Чтобы рассматривать модели динамики рабочего тела, были предложены законы термодинамики, описывающие основные термодинамические процессы, такие как:

  • изохорный процесс – это процесс, который выполняется без изменения объема рабочего тела. Условие изохорного процесса, v=const;
  • изобарный процесс – это процесс, который выполняется без изменения давления в рабочем теле. Условие изобарного процесса, P=const;
  • изотермический (изотермный) процесс – это процесс, который выполняется при сохранении температуры на заданном уровне. Условие изотермического процесса, T=const;
  • адиабатический процесс (адиабатный, так его называют современные теплотехники) – это процесс, совершаемый в пространстве без обмена теплотой с окружающей средой. Условие адиабатического процесса, q=0;
  • политропный процесс – это самый обобщенный процесс, который описывает все названные выше термодинамические процессы, а также все остальные возможные для совершения в цилиндре с подвижным поршнем.

В период создания первых тепловых машин искали цикл, в котором можно получить самый высокий КПД (коэффициент полезного действия). Сади Карно, исследуя совокупность термодинамических процессов, по наитию пришел к разработке своего цикла, получившим его имя – цикл Карно.

В нем последовательно выполняются изотермический, затем адиабатический процесс сжатия. Рабочее тело после выполнения этих процессов обладает запасом внутренней энергии, но цикл еще не завершен, поэтому рабочее тело расширяется и выполняет изотермический процесс расширения.

Чтобы закончить цикл и вернуться к исходным параметрам рабочего тела, выполняется адиабатический процесс расширения.

Карно доказал, что КПД в его цикле достигает максимума и зависит только от температур двух изотерм. Чем выше разность между ними, тем, соответственно, выше термический КПД. Попытки создать тепловую машину по циклу Карно так и не увенчались успехом. Это идеальный цикл, который выполнить нельзя.

Но он доказал главный принцип второго начала термодинамики о невозможности получения работы, равной затратам тепловой энергии. Был сформулирован ряд определений второму началу (закону) термодинамики, на основании которых Рудольф Клаузиус ввел понятие энтропии.

Главный вывод его исследований – энтропия постоянно возрастает, что ведет к тепловой «смерти».

Самым главным достижением Клаузиуса явилось понимание сути адиабатического процесса, при его выполнении энтропия рабочего тела не меняется. Поэтому адиабатический процесс по Клаузиусу – это s=const.

Здесь s – это энтропия, которая дает еще одно название процессу, совершаемому без подвода или отвода теплоты, – изоэнтропийный процесс. Ученый занимался поиском такого цикла тепловой машины, где не происходило бы увеличение энтропии.

Но, к сожалению, такого он создать не сумел. Поэтому вывел, что тепловая машина не может быть создана вообще.

Но не все исследователи были настроены столь пессимистично. Они искали реальные циклы для тепловых машин. В результате их поисков Николаус Август Отто создал свой цикл тепловой машины, который сегодня реализуется в двигателях, работающих на бензине.

Здесь выполняются адиабатический процесс сжатия рабочего тела и изохорный подвод теплоты (сгорание топлива при постоянном объеме), затем появляются адиабата расширения (работа совершается рабочим телом в процессе увеличения его объема) и изохорный отвод теплоты. Первые двигатели внутреннего сгорания по циклу Отто использовали в качестве топлива горючие газы.

Много позже были придуманы карбюраторы, которые стали создавать бензовоздушные смеси воздуха с парами бензина и подавать их в цилиндр двигателя.

В цикле Отто сжимается горючая смесь, поэтому величина сжатия ее сравнительно небольшая – горючая смесь имеет склонность детонировать (взрываться при достижении критических давлений и температур). Поэтому работа при адиабатическом процессе сжатия сравнительно невелика. Здесь введено еще одно понятие: степень сжатия – отношение полного объема к объему сжатия.

Поиск путей увеличения эффективности использования энергии топлива продолжался. Увеличение КПД видели в повышении степени сжатия. Рудольф Дизель разработал свой цикл, в котором подвод теплоты осуществляется при постоянном давлении (в изобарном процессе). Его цикл лег в основу двигателей, использующих дизельное топливо (его еще называют соляркой).

В цикле Дизеля сжимается не горючая смесь, а воздух. Поэтому говорят, что совершается работа в адиабатическом процессе. Температура и давление в конце сжатия высоки, поэтому через форсунки осуществляется впрыск топлива. Оно перемешивается с горячим воздухом, образует горючую смесь. Она сгорает, при этом увеличивается внутренняя энергия рабочего тела.

Далее расширение газа идет по адиабате, совершается рабочий ход.

Попытка реализовать цикл Дизеля в тепловых машинах не удалась, поэтому Густав Тринклер создал комбинированный цикл Тринклера. Его и используют в сегодняшних дизельных двигателях. В цикле Тринклера теплота подводится по изохоре, а потом по изобаре. Только после этого выполняется адиабатический процесс расширения рабочего тела.

По аналогии с поршневыми тепловыми машинами работают и турбинные. Но в них процесс отвода теплоты по завершении полезного адиабатического расширения газа выполняется по изобаре. На самолетах с газотурбинным и турбовинтовым двигателями адиабатический процесс совершается дважды: при сжатии и расширении.

Чтобы обосновать все основополагающие понятия адиабатического процесса, были предложены расчетные формулы. Здесь фигурирует важная величина, получившая название показатель адиабаты.

Его значение для двухатомного газа (кислород и азот – это основные двухатомные газы, имеющиеся в воздухе) равно 1,4.

Для расчета показателя адиабаты используются еще две интересные характеристики, а именно: изобарная и изохорная теплоемкости рабочего тела. Отношение их k=Cp/Cv – и есть показатель адиабаты.

Почему в теоретических циклах тепловых машин используется адиабатический процесс? На самом деле выполняются политропные процессы, но из-за того, что они происходят с высокой скоростью, принято предполагать отсутствие теплообмена с окружающей средой.

90% электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях. В них в качестве рабочего тела используется водяной пар. Его получают при кипении воды. Чтобы повысить рабочий потенциал пара, его перегревают. Затем при высоком давлении перегретый пар подается на паровую турбину.

Здесь также совершается адиабатический процесс расширения пара. Турбина получает вращение, его передают на электрогенератор. Тот, в свою очередь, вырабатывает электроэнергию для потребителей. Паровые турбины работают по циклу Ренкина.

В идеале повышение эффективности также связано с увеличением температуры и давления водяного пара.

Как видно из изложенного, адиабатный процесс является весьма распространенным в производстве механической и электрической энергий.

Источник: https://FB.ru/article/91727/chto-takoe-adiabaticheskiy-protsess

Booksm
Добавить комментарий