Термодинамика - это раздел физики, изучающий процессы, с помощью которых тепловая энергия может изменять форму. Часто идеальные газы изучаются специально, потому что они не только намного проще для понимания, но и многие газы можно приблизить к идеальным.
Конкретное термодинамическое состояние определяется переменными состояния. К ним относятся давление, объем и температура. Изучая процессы, посредством которых термодинамическая система переходит из одного состояния в другое, вы можете получить более глубокое понимание лежащей в основе физики.
Несколько идеализированных термодинамических процессов описывают, как состояния идеального газа могут претерпевать изменения. Адиабатический процесс - лишь один из них.
Переменные состояния, функции состояния и функции процессов
Состояние идеального газа в любой момент времени можно описать с помощью переменных состояния: давления, объема и температуры. Этих трех величин достаточно для определения текущего состояния газа, и они никоим образом не зависят от того, как газ получил свое текущее состояние.
Другие величины, такие как внутренняя энергия и энтропия, являются функциями этих переменных состояния. Опять же, государственные функции не зависят от того, как система попала в свое конкретное состояние. Они зависят только от переменных, описывающих текущее состояние.
С другой стороны, функции процесса описывают процесс. Тепло и работа - это технологические функции в термодинамической системе. Теплообмен происходит только при переходе из одного состояния в другое, точно так же, как работа может выполняться только при изменении состояния системы.
Что такое адиабатический процесс?
Адиабатический процесс - это термодинамический процесс, который происходит без передачи тепла между системой и окружающей средой. Другими словами, состояние изменяется, работа может выполняться в системе или с ее помощью во время этого изменения, но тепловая энергия не добавляется и не удаляется.
Поскольку ни один физический процесс не может происходить мгновенно, и никакая система не может быть полностью изолирована, идеальное адиабатическое состояние никогда не может быть достигнуто в действительности. Однако ее можно приблизить, и многое можно узнать, изучая ее.
Чем быстрее происходит процесс, тем ближе он может быть к адиабатическому, поскольку тем меньше времени потребуется для передачи тепла.
Адиабатические процессы и первый закон термодинамики.
Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы равно разнице тепла, добавляемого к системе, и работы, совершаемой системой. В форме уравнения это:
\ Delta E = Q-W
ГдеEэто внутренняя энергия,Qдобавляется ли тепло в систему иWэто работа, проделанная системой.
Поскольку в адиабатическом процессе теплообмен не происходит, должно быть следующее:
\ Delta E = -W
Другими словами, если энергия покидает систему, это результат работы системы, а если энергия входит в систему, то это результат работы, выполняемой в системе.
Адиабатическое расширение и сжатие
Когда система адиабатически расширяется, объем увеличивается без теплообмена. Это увеличение объема представляет собой работу, выполняемую системой над окружающей средой. Следовательно, внутренняя энергия должна уменьшаться. Поскольку внутренняя энергия прямо пропорциональна температуре газа, это означает, что изменение температуры будет отрицательным (температура падает).
Из закона идеального газа можно получить следующее выражение для давления:
P = \ frac {nRT} {V}
Гдепэто количество родинок,р- постоянная идеального газа,Тэто температура иVобъем.
Для адиабатического расширения температура понижается, а объем увеличивается. Это означает, что давление также должно снизиться, потому что в приведенном выше выражении числитель будет уменьшаться, а знаменатель - увеличиваться.
При адиабатическом сжатии происходит обратное. Поскольку уменьшение объема указывает на работу, выполняемую в системе окружающей средой, это будет дают положительное изменение внутренней энергии, соответствующее повышению температуры (более высокая конечная температура).
Если температура увеличивается при уменьшении объема, то давление также увеличивается.
Одним из примеров, иллюстрирующих приблизительно адиабатический процесс, часто показываемый в курсах физики, является действие огнестрельного шприца. Пожарный шприц состоит из изолированной трубки, закрытой с одного конца и содержащей поршень на другом конце. Плунжер можно нажать вниз, чтобы сжать воздух в трубке.
Если небольшой кусок хлопка или другого легковоспламеняющегося материала поместить в трубку при комнатной температуре, а затем поршень будет при очень быстром нажатии, состояние газа в трубке изменится с минимальным теплообменом с внешней средой. Повышенное давление в трубке, возникающее при сжатии, вызывает резкое повышение температуры внутри трубки, достаточное для того, чтобы небольшой кусок хлопка загорелся.
Диаграммы P-V
Адавление-объем(P-V) диаграмма - это график, который отображает изменение состояния термодинамической системы. На такой диаграмме объем нанесен наИкс-оси, а давление нанесено нау-ось. Состояние обозначается значком (х, у) точка, соответствующая определенному давлению и объему. (Примечание: температуру можно определить по давлению и объему, используя закон идеального газа).
Когда состояние изменяется от одного конкретного давления и объема к другому давлению и объему, на диаграмме можно нарисовать кривую, показывающую, как произошло изменение состояния. Например, изобарический процесс (при котором давление остается постоянным) будет выглядеть как горизонтальная линия на диаграмме P-V. Можно нарисовать другие кривые, соединяющие начальную и конечную точки, что, следовательно, приведет к выполнению другого объема работы. Вот почему форма пути на схеме актуальна.
Адиабатический процесс проявляется в виде кривой, подчиняющейся соотношению:
П \ propto \ frac {1} {V ^ c}
Гдеcотношение удельной теплоемкости cп/ cv (cп- удельная теплоемкость газа при постоянном давлении, аcv- удельная теплоемкость при постоянном объеме). Для идеального одноатомного газаc= 1,66, а для воздуха, который в основном является двухатомным газом,c = 1.4
Адиабатические процессы в тепловых двигателях.
Тепловые двигатели - это двигатели, которые преобразуют тепловую энергию в механическую посредством определенного полного цикла. На диаграмме P-V цикл теплового двигателя образует замкнутый цикл, в котором состояние двигателя заканчивается там, где он был запущен, но выполняет работу в процессе достижения этого состояния.
Многие процессы работают только в одном направлении; однако обратимые процессы одинаково хорошо работают как в прямом, так и в обратном направлении, не нарушая законов физики. Адиабатический процесс - это разновидность обратимого процесса. Это делает его особенно полезным в тепловом двигателе, поскольку это означает, что он не преобразует энергию в неизвлекаемую форму.
В тепловом двигателе общая работа, выполняемая двигателем, - это область, содержащаяся в контуре цикла.
Другие термодинамические процессы
Другие термодинамические процессы, более подробно обсуждаемые в других статьях, включают:
Изобарические процессы, протекающие при постоянном давлении. На диаграмме P-V они будут выглядеть как горизонтальные линии. Работа, выполняемая в изобарическом процессе, равна значению постоянного давления, умноженному на изменение объема.
Изохорические процессы, происходящие при постоянном объеме. Они выглядят как вертикальные линии на диаграмме P-V. В связи с тем, что громкость во время этих процессов не меняется, работы не выполняются.
Изотермические процессы происходят при постоянной температуре. Как и адиабатические процессы, они обратимы. Однако для того, чтобы процесс был идеально изотермическим, он должен поддерживать постоянное равновесие, что означают, что это должно происходить бесконечно медленно, в отличие от мгновенного требования для адиабатического процесс.