Порядок і методи дослідження термодинамічних процесів. Ізохорний, ізобарний, ізотермічний, адіабатний процеси та їх зображення в кординатах PV, TS

Будь-яка зміна в термодинамічній системі, пов'язана із зміною хоч би одного з її параметрів, називается термодинамічним процесом.

Розрізняють рівноважні і неравноважні процеси.

Рівноважним процесом називається термодинамічний процес, який предсталяє собою безперервну послідовність рівноважних станів. У такому процесі фізичні параметри змінюються нескінченно повільно, так що система весь час знаходиться в рівноважному стані. Крім того, всі частини системи мають однакову температуру і тиск. Рівноважні процеси - оборотні. Оборотні термодинамічні процеси - це такі, за яких термодинамічна система після низки змін свого стану повертається до початкового. Зіставленням необоротних процесів з оборотними можна виявити шляхи підвищення ефективності перших (наприклад, ККД теплових двигунів).

Оборотний термодинамічний процес, в якому робоче тіло, повертаючись у вихідний стан, не набуває двічі одного і того ж стану, називається круговим прогресом, або циклом

Нерівноважним процесом називається термодинамічний процес, який представляє собою послідовність станів, серед яких не всі являются рівноважними. У нерівноважному процесі різні частини системи мають різні температури, тиски, щільність, концентрації.

Стан робочого тіла, коли в кожний момент часу параметри тілі однакові по всій товщі називається рівноважним

Процеси, що протікають в прямому (розширення) І зворотно (стиск) напрямах, проходячи через одні й ті самі проміжні стан в протилежній послідовності, називаються оборотними. При цьому в результаті проведення оборотного процесу як робоче тіло, так і навколишнє середовище повинні повернутися в початковий стан без будь-яких змін.

Умови оборотності процесів такі: механічна рівновага, термічна рівновага, відсутність тертя.

Дійсні процеси нерівноважні (протікають з певними швидкостями й з великою різницею температур) і відбуваються при наявності тертя – необоротні.

Види термодинамічних процесів:

1. Ізохорний процес: — це термодинамічний процес, який відбувається при сталому об'ємі. v = const

(7.1) - закон Шарля

Робота процесу для 1 кг маси газу згідно з формулою визначається, інтегралом (7.2),але в ізохорному процесі об'єм газу незмінний або зміна об'єму dv=0 і тому l = 0. При ізохорному процесі робота не виконується. Вся кількість тепла іде на підвищення внутрішньої енергії. Для першого закону термодинаміки: , (7.3)

Рис.21 – pv- та Ts-графіки ізохорного процесу

Схема наочно показує, що в ізохорному процесі робота не вико­нується; підведене тепло (при нагріванні) йде виключно на зміну внутрішньої енергії або на підвищення температури, а відведення тепла в навколишнє середовище (при охолодженні) відбувається за рахунок зміни внутрішньої енергії або за рахунок зниження тем­ператури газу.

2. Ізобарний процес: зміна стану фізичної системи за сталого тиску.

р = const (закон Гей-Люссака)

(7.4)

Рис.22 – pv- та Ts-графіки ізобарного процесу

При ізобарному процесі все тепло підведене до робочого тіла іде на збільшення внутрішньої енергії і виконання роботи.

(7.5)

Схема перетворення енергії в ізобарному процесі показує, що в цьому процесі тепло, підведене до газу, затрачається частково на виконання роботи, а частково на зміну внутрішньої енер­гії.

3. Ізотермі́чний проце́с— це термодинамічний процес, який відбувається при сталій температурі. (7.6)

(закон Бойля—Маріотта) (7.7)

Рис.23 – pv- та Ts-графіки ізотермічного процесу

В ізотермічному процесі зміни внут­рішньої енергії не відбуваються і тепло на ці зміни не витрачається

В ізотермічному процесі все тепло, підведене до газу, витра­чається на здійснення роботи. (7.8)

4. Адіабатний процес - термодинамічний процес, який відбувається у системі за її повної ізоляції, тобто коли між системою та навколишнім середовищем відсутній теплообмін.

Адіабатним називається процес, який від­бувається без теплообміну між газом і навколишнім середовищем. Здійснення такого процесу можна уявити собі в умовах, коли газ знаходиться в посудині або циліндрі, виготовлених з абсолютно нетеплопровідного матеріалу. Але, як відомо, такого матеріалу в при­роді немає, а тому й адіабатних процесів здійснити не можна. Проте, коли процеси відбуваються з великими швидкостями, вони набли­жаються до адіабатних, бо за короткий проміжок часу теплообміну між газом і навколишнім середовищем майже немає. З цих міркувань всі швидкісні процеси вважають адіабатними.

(7.9) де k – показник адіабати <0. Це і є рівняння адіабатного процесу в координатах pv.

(7.10) (при стискуванні робота від’ємна)

Рис.24 – pv- та Ts-графіки адіабатного процесу

В адіабатному процесі немає теплообміну між газом і навколишнім середовищем робота (при розширенні) виконується за рахунок зменшення внутрішньої енергії газу (на це вказує знак мінус). При адіабатному стиску затрачене тепло, підве­дене з навколишнього середовища, іде на збільшення внутрішньої енергії газу.

5. Політропний процес— термодинамічний процес, під час якого питома теплоємність c з газу залишається незмінною

(7.11)

n - показник політропи, числове значення якого 0 < n < оо.

Надаючи показнику політропи цілих числових значень, діст'ємо рівняння різних процесів.

Рис.25 – pv- та Ts-графіки політропного процесу

Є узагальнюючим процесом для всіх термодинамічних процесів. Надаючи показнику політропи різних числових значень будемо одержувати рівняння різних процесів:

- ізобара (7.12)

- ізотерм (7.13)

Основні висновки:

Для теоретичного і практичного дослідження взаємного перетворення тепла й механічної енергії важливо вміти аналізувати не загальний процес загального характеру, а ряд окремих випадків, що найчастіше мають місце. До таких процесів належать процеси,в яких один із параметрів газу залишається незмінним (основні термодинамічні процеси), що відображають основні газові закону в графічній інтрепретації в pv- та Ts-координатах. Особливості кожного процесу відображають особливості першого закону термодинаміки стосовно конкретного термодинамічного процесу. Так, наприклад, лише для ізобарного термодинамічного процесу він виконується повно (енергія використовується частково на виконання роботи, а частково на зміну внутрішньої енергії системи), у той час коли, наприклад, для адіабатного процесу робота виконується лише за рахунок використання внутрішньої енергії (відсутність теплообміну).

В реальних умовах жоден технологічний процес роботи теплової або холодильної машини не описується одним термодинамічним процесом – він є послідовним сполученням декількох процесів.

Контрольні питання:

1. Визначити поняття «термодинамічний процес», «рівноважний процес», «нерівноважний процес».

2. Пояснити ізохорний термодинамічний процес: закон ідеального газу, графіки, характеристика першого закону термодинаміки для цього процесу.

3. Пояснити ізобарний термодинамічний процес: закон ідеального газу, графіки, характеристика першого закону термодинаміки для цього процесу.

4. Пояснити ізотермічний термодинамічний процес: закон ідеального газу, графіки, характеристика першого закону термодинаміки для цього процесу.

5. Пояснити адіабатний термодинамічний процес: закон ідеального газу, графіки, характеристика першого закону термодинаміки для цього процесу.

6. Пояснити політропний термодинамічний процес.

Домашнє завдання:

1. Повторення матеріалу теми за конспектом.

Прочитати:

[2] c. 20-25; [4] с. 34-43.

Тема №8

Поиск по сайту: