Основные термодинамические процессы

Основными процессами в термодинамике являются:

  • изохорный, протекающий при постоянном объеме;
  • изобарный, протекающий при постоянном давлении;
  • изотермический, происходящий при постоянной температуре;
  • адиабатный, при котором теплообмен с окружающей средой отсутствует;
  • политропный, удовлетворяющий уравнению pvn= const.

Изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы являются частными случаями политропного процесса.

При исследовании термодинамических процессов определяют:

  • уравнение процесса в pv иTкоординатах;
  • связь между параметрами состояния газа;
  • изменение внутренней энергии;
  • величину внешней работы;
  • количество подведенной теплоты на осуществление процесса или количество отведенной теплоты.

Изохорный процесс

Изохорный процесс в p-v координатахИзохорный процесс в t-s координатах Изохорный процесс в i-s координатах

Изохорный процесс в p, v— , T, s— и i, s-координатах (диаграммах)

При изохорном процессе выполняется условие v = const.

Из уравнения состояния идеального газа (pv = RT) следует:

 p/T = R/v = const,

т. е. давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре:

 p2/p1 = T2/T1.

Работа расширения в изохорном процессе равна нулю (l = 0), так как объем рабочего тела не меняется (Δv = const).

Количество теплоты, подведенной к рабочему телу в процессе 1-2 при cv = const определяется по формуле:

q= cv(T2 —  T1). 

Т. к.l = 0, то на основании первого закона термодинамики Δu = q, а значит изменение внутренней энергии можно определить по формуле:

Δu = cv(T2 — T1).

Изменение энтропии в изохорном процессе определяется по формуле:

s2 – s1= Δs = cvln(p2/p1) = cvln(T2/T1).

Изобарный процесс

Изобарный процесс в p-v координатахИзобарный процесс в t-s координатахИзобарный процесс в i-s координатах

Изобарный процесс в p, v— , T, s— и i, s-координатах (диаграммах)

Изобарным называется процесс, протекающий при постоянном давлении p = const. Из уравнения состояния идеального газа слуедует:

v/T = R/p = const

или

 v2/v1 = T2/T1,

т. е. в изобарном процессе объем газа пропорционален его абсолютной температуре.

Работа будет равна:

l = p(v2v1). 

Т. к. pv1 = RT1 и pv2 = RT2, то

l = R(T2 – T1).

Количество теплоты при cp = const определяется по формуле:

q = cp(T2 – T1).

Изменение энтропии будет равно: 

s2 – s1= Δs = cpln(T2/T1).

Изотермический процесс

Изотермический процесс в p-v координатахИзотермический процесс в t-s координатахИзотермический процесс в i-s координатах

Изотермический процесс в p, v— , T, s— и i, s-координатах (диаграммах)

При изотермическом процессе температура рабочего тела остается постоянной T = const, следовательно:

pv = RT = const

или

p2/p1 = v1/v2,

т. е. давление и объем обратно пропорциональны друг другу, так что при изотермическом сжатии давление газа возрастает, а при расширении – снижается.

Работа процесса будет равна:

l  = RTln (v2 – v1) = RTln (p1 – p2).

Так как температура остается неизменной, то и внутренняя энергия идеального газа в изотермическом процессе остается постоянной (Δu = 0) и вся подводимая к рабочему телу теплота полностью превращается в работу расширения:

q = l.

При изотермическом сжатии от рабочего тела отводится теплота в количестве, равном затраченной на сжатие работе.

Изменение энтропии равно:

s2 – s1= Δs = Rln(p1/p2) = Rln(v2/v1).

Адиабатный процесс

Адиабатный процесс в p-v координатахАдиабатный процесс в t-s координатахАдиабатный процесс в i-s координатах

Адиабатный процесс в p, v— , T, s— и i, s-координатах (диаграммах)

Адиабатным называется процесс изменения состояния газа, который происзодит без теплообмена с окружающей средой. Так как dq = 0, то уравнение первого закона термодинамики для адиабатного процесса будет иметь вид:

du + pdv = 0

или

Δu+ l = 0,

следовательно

Δu= —l. 

В адиабатном процессе работа расширения совершается только за счет расходования внутренней энергии газа, а при сжатии, происходящем за счет действия внешних сил, вся совершаемая ими работа идет на увеличение внутренней энергии газа.

Обозначим теплоемкость в адиабатном процессе через cад, и условие dq = 0 выразим следующим образом:

dq = cадdT = 0. 

Это условие говорит о том, что теплоемкость в адиабатном процессе равна нулю (cад = 0).

Известно, что

сp/cv = k

и уравнение кривой адиабатного процесса (адиабаты) в p, v-диаграмме имеет вид:

pvk = const. 

В этом выражении k носит название показателя адиабаты (так же ее называют коэффициентом Пуассона).

Значения показателя адиабаты k для некоторых газов:

kвоздуха = 1,4

kперегретого пара = 1,3

kвыхлопных газов ДВС = 1,33

kнасыщенного влажного пара = 1,135

Из предыдущих формул следует:

l= — Δu = cv(T1T2);

i1i2= cp(T1T2).

Техническая работа адиабатного процесса (lтехн) равна разности энтальпий начала и конца процесса (i1i2).

Адиабатный процесс, происходящий без внутреннего  трения в рабочем теле, называется изоэнтропийным. В T, s-диаграмме он изображается вертикальной линией.

Обычно реальные адиабатные процессы протекают при наличии внутреннего трения в рабочем теле, в результате чего всегда выделяется теплота, которая сообщается самому рабочему телу. В таком случае ds > 0, и процесс называется реальным адиабатным процессом.

Политропный процесс

Политропным называется процесс, который описывается уравнением:

pvn= const.

Показатель политропы n может принимать любые значения в пределах от -∞ до +∞, но для данного процесса он является постоянной величиной.

Из уравнения политропного процесса и уравнения Клайперона можно получить выражение, устанавливающее связь между p, vи Tв любых двух точках на политропе:

p2/p1 = (v1/v2)n; T2/T1 = (v1/v2)n-1; T2/T1 = (p2/p1)(n-1)/n

Работа расширения газа в политропном процессе равна:

В случае идеального газа эту формулу можно преобразовать:

  

Количество подведенной или отведенной в процессе теплоты определяется с помощью первого закона термодинамики:

q = (u2 – u1) + l.

Поскольку

представляет собой теплоемкость идеального газа в политропном процессе.

При cv, k и n = const cn = const, поэтому политропный процесс иногда определят как процесс с постоянной теплоемкостью.

Политропный процесс имеет обобщающее значение, ибо охватывает всю совокупность основных термодинамических процессов.

Графическое представление политропа в p, v координатах в зависимости от показателя политропа n.

Политропный процесс в p-v координатах

pv0 = const (n = 0) – изобара;

pv = const (n = 1) – изотерма;

p0v = const, p1/∞v = const, pv = const – изохора;

pvk = const (n = k) – адиабата.

n > 0 – гиперболические кривые,

n < 0 – параболы.

По материалам моего конспекта лекций по термодинамике и учебника «Основы энергетики». Автор Г. Ф. Быстрицкий. 2-е изд., испр. и доп. — М. :КНОРУС, 2011. — 352 с.

Основные термодинамические процессы: 2 комментария

  1. Эх, где ж вы раньше со своим сайтом были… мне так нужна была инфа по термодинамике, экзамены в мае сдавала, контрольную писала.. Класс, столько информации.

Добавить комментарий