Узнать цену работы
Статьи по теме

Адиабатный процесс в термодинамике

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.

Узнать цену работы
Узнай цену
своей работы
Нужны оригинальность, уникальность и персональный подход?
Закажи свою оригинальную работу
УЗНАТЬ СТОИМОСТЬ