Изопроцессы

Среди равновесных процессов, которые происходят с термодинамическими системами, отдельно рассматриваются изопроцессы, при которых один из основных параметров состояния остается постоянным.

Изотермический процесс - кипение жидкости или плавление твердого тела при постоянном давлении.

Изобарный процесс - сжатие или расширение идеального газа при постоянном давлении.

Изохорный процесс - нагревание или охлаждение идеального газа при постоянном объеме

Изохорный процесс (V = const). При изохорном процессе газ не совершает работы над внешними телами, т. е.

Из первого начала термодинамики для изохорного процесса следует, что вся теплота, которая сообщается газу, идет на увеличение его внутренней энергии. Тогда для произвольной массы газа получим:

Изобарный процесс (p = const). Выражение для работы изобарного расширения примет вид:

Изотермический процесс (T = const). Изотермический процесс описывается законом Бойля-Мариотта:

Все количество теплоты, сообщаемое газу, расходуется на совершение им работы против внешних сил.

Для того чтобы при расширении газа температура не становилась меньше, к газу в течение изотермического процесса необходимо подводить количество теплоты, равное внешней работе расширения.

5. Адиабатический процесс - это такое изменение состояний газа, при котором он не отдает и не поглощает извне теплоты. Следовательно, адиабатический процесс характеризуется отсутствием теплообмена газа с окружающей средой. Адиабатическими можно считать быстро протекающие процессы. Так как передачи теплоты при адиабатическом процессе не происходит, то δQ = 1 и уравнение первого начала термодинамики принимает вид

Уравнение адиабатического процесса

Показатель адиабаты. (иногда называемый коэффициентом Пуассона) - отношение теплоёмкости при постоянном давлении к теплоёмкости при постоянном объёме. Иногда его ещё называют фактором изоэнтропийного расширения.

Показатель адиабаты

С - теплоёмкость газа

с - удельная теплоёмкость (отношение теплоёмкости к единице массы) газа

индексы и обозначают условие постоянства давления или постоянства объёма, соответственно

Показатель адиабаты для идеального газа — это отношение энтальпии к внутренней энергии:

Энтальпия — энергия, которая доступна для преобразования в теплоту при определенном постоянном давлении.

Показатель адиабаты для идеального газа может быть выражен через количество степеней свободы молекул газа:

или

Экспериментальное определение величины показателя адиабаты.

Поскольку процессы, происходящие в небольших объёмах газа при прохождении звуковой волны, близки к адиабатическим, показатель адиабаты можно определить, измерив скорость звука в газе. В этом случае показатель адиабаты и скорость звука в газе будут связаны следующим выражением:

γ - показатель адиабаты

k - постоянная Больцмана

R - универсальная газовая постоянная

T - абсолютная температура в кельвинах

m - молекулярная масса

M - молярная масса.

Работа, совершаемая газом в адиабатическом процессе определяется по формуле:

Тепловой машиной называется устройство, способное многократно совершать работу за счет поглощения количества теплоты от внешнего источника. По назначению тепловые машины можно разделить на три вида: тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильные машины.

Тепловой двигатель - устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива.

Тепловой насос - устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой.

Холодильная машина - циклическая тепловая машина, предназначенная для отъема количества теплоты и понижения температуры рабочего объема.

Различают циклические и нециклические тепловые машины.

Реальная тепловая циклическая машина состоит из печки (нагревателя), холодильника и рабочего тела.

Принцип работы циклической тепловой машины. Рабочее тело, в результате контакта с нагревателем, получает от него вследствие обмена теплом некоторой количество теплоты, нагреваясь до некоторой температуры. После завершения контакта с нагревателем, рабочее тело переходит в контакт с холодильником.

При таком переходе рабочее тело совершает механическую работу. В контакте с холодильником, рабочее тело отдаёт ему некоторое количество теплоты.

Затем рабочее тело снова переходит в контакт с печкой - процесс повторяется.

Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины находится по формуле:

КПД тепловой машины

Q - теплота

А - работа

Цикл Карно является обратимым циклическим процессом с двумя источниками теплоты, имеющими разные, но постоянные температуры.

Так как температуры источников тепла постоянные, а процессы получения и отдачи рабочим веществом тепла должны быть обратимыми, то эти процессы могут быть только изотермическими. При этом температура рабочего вещества в цикле должна, очевидно, меняться без теплообмена с окружающей средой, т.е. в адиабатных условиях. Цикл Карно состоит из двух обратимых изотермических и двух обратимых адиабатных процессов, чередующихся между собой.

На рис. изображён цикл Карно для идеального газа, координатами служит давление Р и объём V.

Сначала рабочее вещество приводят в тепловой контакт с нагревателями, а затем оно изотермически расширяется, получая от нагревателя теплоту dQ₁ и совершая работу (кривая АВ).

После этого рабочее вещество расширяется адиабатически (кривая ВС) и охлаждается до температуры Т ₂.

Затем устанавливают тепловой контакт с холодильником и изотермически сжимают рабочее вещество, отбирая теплоту dQ₂ (линия CD).

Завершается цикл адиабатическим сжатием рабочего вещества (отрезок DA), возвращая его в исходное состояние.

В результате внутренняя энергия рабочего вещества не изменяется, поэтому произведённая работа соответствует разности dQ₁-dQ₂.

Площадь ABCD численно равна совершаемой работе.

КПД тепловой машины Карно равен:

Q - теплота

T - температура

Теоремы Карно.

Из последнего выражения следует, что КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя и холодильника, но не зависит, ни от устройства машины, ни от вида или свойств её рабочего тела. Этот результат составляет содержание первой теоремы Карно.

Кроме того, из него следует, что КПД может составлять 100% только в том случае, если температура холодильника равна абсолютному нулю.

Это невозможно, такой цикл или нельзя замкнуть, или он вырождается в совокупность двух совпадающих адиабат и изотерм.

Поэтому максимальный КПД любой тепловой машины не может превосходить КПД тепловой машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и холодильника. Это утверждение называется второй теоремой Карно.

Оно даёт верхний предел КПД любой тепловой машины и позволяет оценить отклонение реального КПД от максимального, то есть потери энергии вследствие неидеальности тепловых процессов.

Дата добавления: 2014-12-16