что такое адиабатное расширение

Адиабатическое расширение

Определение и основные понятия адиабатического расширения

Для идеальных газов условие адиабатичности процесса записывается как:

Первое начала термодинамики для адиабатического процесса в интегральном виде можно записать как:

где работа совершается газом за счет уменьшения своей внутренней энергии. В дифференциальном виде первое начало термодинамики:

где – молярная теплоемкость идеального газа при постоянном объеме; – число молей вещества; – элементарное изменение температуры; – малое изменение объема. Из выражения (3) очевидно, что при адиабатическом расширении (0″ title=»Rendered by QuickLaTeX.com» height=»13″ width=»59″ style=»vertical-align: 0px;»/>) газ охлаждается ().

Адиабатическое охлаждение часто демонстрируют при помощи следующего эксперимента. Берется стеклянная бутылка, горлышко которой закрыть резиновой пробкой, в которую вставлена трубка. На дно бутылки наливают смесь воды и спирта. Через трубку в пробке нагнетают воздух. Пробку резко вынимают из бутылки. В бутылке возникает туман в результате конденсации паров при уменьшении температуры.

Теплоемкость при адиабатическом процессе любого тела постоянная и равна нулю:

Уравнение адиабаты

Процесс адиабатического расширения в идеальном газе можно описать при помощи уравнения Менделеева – Клапейрона, которое связывает три термодинамических параметра: . Однако, используя первое начало термодинамики для процесса адиабатического расширения можно получить уравнение, которое позволит описывать данный процесс двумя параметрами:

Все три вида этих функций называют уравнениями Пуассона:

где — показатель адиабаты (коэффициент Пуассона); i – число степеней свободы молекулы газа.

Работа газа при адиабатическом расширении

Работа адиабатического расширения газа легко получается, если использовать первое начало термодинамики в дифференциальном виде (3). Тогда A равна:

Применяя уравнение адиабаты работу для адиабатического процесса можно выразить как:

Следует отметить, что равновесное адиабатическое расширение весьма сложно, так как не существует материалов совершенно не проводящих тепло. Гораздо проще провести нестатическое расширение (или сжатие) газа. Процесс при этом стараются выполнить как можно быстрее, так, чтобы за время его прохождения теплообменом можно было бы пренебречь.

Примеры решения задач

Задание	Используя уравнение адиабатического процесса, изобразите на диаграмме в осях процесс адиабатического расширения. В тех же осях изобразите изотерму. Объясните разницу в изображении процессов.
Решение	Запишем уравнение адиабаты в параметрах :

Уравнение изотермы в тех же параметрах запишется как:

На диаграмме с осями p, V (рис.1) зафиксируем точку с координатами . Через избранную точку проведем адиабату (1) и изотерму (2).

При адиабатическом расширении большее уменьшение давления по адиабате (в сравнении с изотермой) можно объяснить тем, что в адиабатическом процессе на изменение давления оказывает влияние и увеличение объема, и уменьшение температуры. В изотермическом процессе изменение давления связано только с изменением объёма.

Задание	2 моль кислорода, находящегося при температуре 273 К адиабатически расширили в 3 раза. Каково изменение внутренне энергии () этого газа? Чему равна работа газа?
Решение	В качестве основы для решения задачи используем первое начало термодинамики для заданного (адиабатического расширения):

Изменение внутренней энергии идеального газа можно определить как:

где для кислорода i=5. Для того чтобы найти конечную температуру, которой обладал газ после расширения используем уравнение адиабаты:

где . Подставим выражение для (2.3) в формулу (2.2), имеем:

Можно провести вычисления:

В соответствии с формулой (2.1) работа по адиабатическому расширению газа равна:

Источник

Адиабатный процесс в термодинамике

Вы будете перенаправлены на Автор24

Рисунок 1. Адиабатический процесс. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Есть несколько основных факторов, которые характеризуют данный класс. Например, адиабатный процесс может происходит динамично и укладывается в достаточно короткий период времени. Происходят все адиабатные процессы в термодинамике, как правило, мгновенно.

В реальных условиях указанное термодинамическое явление возможно осуществить двумя методами:

Готовые работы на аналогичную тему

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.

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.

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

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