Адиабатный процесс. Уравнение адиабаты (вывод).Адиабатным называют такой процесс, в котором к системе не подво-дится тепло и от системы не отводится тепло. При адиабатном процессе должна быть обеспечена идеальная теплоизоляция от внешней среды, в отличие от изотермического процесса, требующего идеального теплового контакта со средой. В реальных условиях процесс является адиабатным, если система снабжена хорошей теплоизоляцией или если процесс протекает настолько быстро, что не происходит заметного теплообмена с внешней средой. Из первого закона термодинамики следует, что при адиабатном процессе работа производится только за счет изменения внутренней энергии вещества:
Можно записать и в интегральной форме:
Если вещество расширяется и совершает работу над внешними телами, то и, как следует, , т. е. внутренняя энергия вещества уменьшается. Это и понятно: в адиабатном процессе к системе нет притока теплоты извне и единственный источник энергии для совершения работы – это внутренняя энергия самой системы. Соотношения справедливы для любых адиабатных процессов: равновесных или неравновесных, для любых веществ, находящихся в любых агрегатных состояниях, так как они являются следствием закона сохранения энергии. Для идеального газа:
Отсюда видно, что при адиабатном расширении газ охлаждается , а при адиабатном сжатии газ нагревается , хотя теплота при этом процессе не подводится и не отводится. Проинтегрировав, найдем работу, совершаемую идеальным газом при адиабатном процессе.
Теплоемкость вынесена из-под интеграла, т. к. для идеального газа она не зависит от температуры. Чтобы найти уравнение адиабаты в переменных подставим вместо p его выражение из уравнения Менделеева –Клапейрона В результате будем иметь
Интегрирование последнего соотношения дает
Откуда находим
Выразим величину через отношение теплоемкостей В результате будем иметь Подставив, получим
Последнее соотношение есть уравнение адиабаты (уравнение Пуассона) в переменных T,V. Чтобы записать это уравнение в координатах p,V или T,p нужно произвести замену соответствующих переменных, воспользовавшись уравнением Менделеева – Клапейрона. В результате получим еще два эквивалентных уравнения адиабаты:
Выражение для работы можно записать иначе. Для этого уравнение адиабаты представим в виде:
Отсюда находим
Подставляя, и учитывая что получим
Из уравнения Пуассона (4.9.9) следует, что давление идеального газа в адиабатном процессе убывает быстрее, чем в изотермическом процессе , так как всегда и, таким образом, . Физически это объясняется тем, что при адиабатном расширении давление газа уменьшается не только за счет уменьшения объема, но и по причине происходящего при этом понижении температуры. Поэтому и работа против меньшего внешнего давления ( для равновесного процесса) при адиабатном процессе будет меньше, чем работа против большего внешнего давления при изотермическом процессе. На рис. 1 работа расширения от объема до объема при адиабатном процессе равна площади фигуры , а при изотермическом – площади фигуры .
Наоборот, при адиабатном сжатии от объема до объема давление газа растет быстрее, чем при изотермическом процессе, так как при адиабатном процессе давление увеличивается не только за счет уменьшения объема, но и вследствие роста температуры газа. Поэтому и работа при адиабатическом сжатии, равная площади фигуры больше работы сжатия при изотермическом процессе, равной площади фигуры . 21 ПОЛИТРОПНЫЕ ПРОЦЕССЫ. УРАВНЕНИЕ ПОЛИТРОПНЫ (ВЫВОД). Политропический процесс — термодинамический процесс, во время которого удельная теплоёмкость c газа остаётся неизменной. Предельными частными явлениями политропного процесса являются изотермический процесс и адиабатный процесс. В случае идеального газа изобарный процесс и изохорный процесс также являются политропическими. Для идеального газа уравнение политропы может быть записано в виде: pVn = const
где величина называется показателем политропы. В зависимости от процесса можно определить значение n: 1. Изотермический процесс: n = 1, так как PV1 = const, значит PV = const, значит T = const. 2. Изобарный процесс: n = 0, так как PV0 = P = const. 3. Адиабатный процесс: n = γ, это следует из уравнения Пуассона. 4. Изохорный процесс: , так как , значит P1 / P2 = (V2 / V1)n, значит V2 / V1 = (P1 / P2)(1 / n), значит, чтобы P1 и P2 обратились в 1, n должна быть бесконечность.
|