что такое адиабатическое сжатие

СОДЕРЖАНИЕ

Описание

Различные приложения адиабатического предположения

Естественные адиабатические процессы необратимы (возникает энтропия).

Передачу энергии как работы в адиабатически изолированную систему можно представить как два идеализированных крайних вида. В одном из таких типов энтропия не производится внутри системы (нет трения, вязкой диссипации и т. Д.), И работа представляет собой только работу давления и объема (обозначается P d V ). В природе этот идеальный вид встречается только приблизительно, потому что он требует бесконечно медленного процесса и отсутствия источников рассеяния.

Адиабатический нагрев и охлаждение

Адиабатический нагрев происходит, когда давление газа увеличивается за счет работы, выполняемой над ним окружающей средой, например, поршень сжимает газ, содержащийся в цилиндре, и повышает температуру, при этом во многих практических ситуациях теплопроводность через стенки может быть медленной по сравнению с время сжатия. Это находит практическое применение в дизельных двигателях, которые полагаются на отсутствие тепловыделения во время такта сжатия для повышения температуры паров топлива в достаточной степени для его воспламенения.

В конвектирующей мантии Земли (астеносфере) под литосферой температура мантии приблизительно равна адиабате. Небольшое снижение температуры с уменьшением глубины связано с тем, что давление уменьшается по мере того, как на Земле мельче находится материал.

Такие изменения температуры можно количественно оценить с помощью закона идеального газа или уравнения гидростатики для атмосферных процессов.

На практике ни один процесс не является по-настоящему адиабатическим. Многие процессы зависят от большой разницы во временных масштабах интересующего процесса и скорости рассеивания тепла через границу системы и, таким образом, аппроксимируются с помощью адиабатического предположения. Всегда есть некоторая потеря тепла, так как идеальных изоляторов не существует.

Идеальный газ (обратимый процесс)

Математическое уравнение для идеального газа, в котором протекает обратимый (т. Е. Без генерации энтропии) адиабатический процесс, может быть представлено уравнением политропного процесса

Для обратимых адиабатических процессов верно также, что

Пример адиабатического сжатия

27 ° C, или 300 K, и давление 1 бар = 100 кПа, то есть типичное атмосферное давление на уровне моря).

<\ text > \, <\ text > ^ <21>, \ end <выровнено>>>

Теперь газ сжимается до объема 0,1 л (0,0001 м 3 ), что, как мы предполагаем, происходит достаточно быстро, чтобы тепло не попало в газ и не покинуло его через стенки. Постоянная адиабаты остается прежней, но результирующее давление неизвестно.

<\ text > ^ <3>) ^ <\ frac <7><5>>,>

Теперь мы можем решить окончательное давление

<\ text >>

или 25,1 бар. Это увеличение давления больше, чем может показаться простой степенью сжатия 10: 1; это связано с тем, что газ не только сжимается, но работа, выполняемая для сжатия газа, также увеличивает его внутреннюю энергию, что проявляется в повышении температуры газа и дополнительном повышении давления выше того, что было бы в результате упрощенного расчета 10 раз первоначальное давление.

<\ text > \, <\ text > ^ <3><\ text > ^ <- 1>.>

<\ text >.>

Это конечная температура 753 K, или 479 ° C, или 896 ° F, что намного выше точки воспламенения многих видов топлива. Вот почему двигатель с высокой степенью сжатия требует топлива, специально разработанного для предотвращения самовоспламенения (что может вызвать детонацию двигателя при работе в таких условиях температуры и давления), или чтобы нагнетатель с промежуточным охладителем обеспечивал повышение давления, но с более низким давлением. повышение температуры было бы выгодным. Дизельный двигатель работает в еще более экстремальных условиях с типичной степенью сжатия 16: 1 или более, чтобы обеспечить очень высокую температуру газа, которая обеспечивает немедленное воспламенение впрыскиваемого топлива.

Свободное адиабатическое расширение газа

Для адиабатического свободного расширения идеального газа газ содержится в изолированном контейнере, а затем расширяется в вакууме. Поскольку нет внешнего давления, против которого газ расширялся, работа, выполняемая системой или над ней, равна нулю. Поскольку этот процесс не включает в себя передачу тепла или работу, первый закон термодинамики подразумевает, что чистое изменение внутренней энергии системы равно нулю. Для идеального газа температура остается постоянной, поскольку в этом случае внутренняя энергия зависит только от температуры. Поскольку при постоянной температуре энтропия пропорциональна объему, энтропия в этом случае увеличивается, поэтому этот процесс необратим.

Желательно знать, как значения dP и dV соотносятся друг с другом по мере протекания адиабатического процесса. Для идеального газа (вспомните закон идеального газа PV = nRT ) внутренняя энергия определяется выражением

Дифференцирующее уравнение (a3) ​​дает

Теперь подставьте уравнения (a2) и (a4) в уравнение (a1), чтобы получить

и разделите обе стороны на PV :

После интегрирования левой и правой сторон от V ₀ до V и от P ₀ до P и изменения сторон соответственно,

Возводите в степень обе стороны, подставьте α + 1 / α при γ коэффициент теплоемкости

и удалите отрицательный знак, чтобы получить

В то же время работа, совершаемая изменением давления – объема в результате этого процесса, равна

Поскольку мы требуем, чтобы процесс был адиабатическим, должно выполняться следующее уравнение

Источник

Физика. 10 класс

§ 14. Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам изменения состояния идеального газа

В 9-м классе вы узнали, что полная механическая энергия замкнутой системы тел сохраняется только при отсутствии трения, а при наличии трения она уменьшается. Куда девается механическая энергия?

Закон сохранения энергии. В середине XIX в. известный английский физик Дж. Джоуль (1818–1889), проведя многочисленные опыты, показал, что совершённая при перемешивании воды механическая работа практически равна увеличению её внутренней энергии. Опыты Джоуля, а также исследования немецкого врача и естествоиспытателя Р. Майера (1814–1878), немецкого профессора физиологии и одного из самых знаменитых физиков второй половины XIX в. Г. Гельмгольца (1821–1894) позволили сформулировать закон сохранения и превращения энергии, распространив его на все явления природы.

Закон сохранения и превращения энергии: при любых взаимодействиях материальных объектов энергия не исчезает и не возникает из ничего, она только передаётся от одних объектов к другим или превращается из одной формы в другую.

Закон сохранения и превращения энергии является всеобщим законом природы и связывает воедино все физические явления. Этот закон выполняется абсолютно точно, на нём базируется всё современное естествознание.

Если бутылку, заполненную до половины водой при комнатной температуре, встряхивать в течение нескольких минут, то окажется, что вода нагрелась на 1–2 °С. Что является причиной повышения температуры воды?

Источник