Лекция № 4 «Термодинамические процессы»

В тепловых двигателях преобразование тепловой энергии в механическую работу или кинетическую энергию сопровождается непрерывным изменением состояния газа. Изменение состояния газа происходит за счет взаимодействия, которое может быть:

- тепловым, то есть подвод тепла к газу от некоторого источника тепла, или, наоборот, отвод тепла от газа к другим телам;

- силовым или механическим, то есть представление газу возможности расширяться (увеличивать свой объем) или, наоборот, сжиматься (уменьшать свой объем);

- одновременно тепловым и силовым.

В результате подвода или отвода тепла, затраты механической работы (при сжатии) или получения механической работы (при расширении) температура, давление и удельный объем газа непрерывно изменяются.

Изменение состояния газа при неизменном его количестве и химическом состоянии называют термодинамическим процессом.

Различают следующие основные газовые процессы:

- процесс при постоянном объеме (изохорический процесс);

- процесс при постоянном давлении (изобарический процесс);

- процесс при постоянной температуре (изотермический процесс);

- процесс без теплообмена между газом и внешней средой (адиабатический процесс).

Процесс при постоянном объеме ()

Изохорическими называют процессы, происходящие при постоянном объеме. Примером процесса при может служить подогрев сжатого воздуха в закрытом сосуде. При этом газ не совершает никакой внешней работы, так как его объем остается неизменным.

Уравнение для двух состояний газа:

до подогрева

(а)

после подогрева

(б)

Разделив уравнение (б) на уравнение (а), получим

.

Подведенное тепло в процессе будет

 

Процесс при постоянном давлении ()

Изобарическими называются процессы, осуществляемые при постоянном давлении газа.

Примером процесса при является случай нагрева газа, находящегося в цилиндре с подвижным поршнем (трение поршня не учитываем), на который извне действует постоянная внешняя сила (например, груз с неизменным весом).

В процессе при внешнее тепло расходуется на подогрев газа (увеличение внутренней тепловой энергии) и совершение им механической работы.

Уравнение для двух состояний газа:

до подогрева

(а)

после подогрева

(б)

 

Разделив уравнение (б) на уравнение (а), получим

.

Подведенное тепло в процессе будет

или

где - изменение теплосодержания газа.

Процесс при постоянной температуре ()

Изотермическими называются процессы, происходящие при постоянной температуре.

Примером процесса при может служить медленное расширение газа с одновременным его подогревом в цилиндре с подвижным поршнем; регулируя подогрев, можно добиться практического постоянства температуры газа.

Написав характеристическое уравнение двух состояний газа, до и после подогрева (охлаждения), получим

или

Процесс без теплообмена между газом и внешней средой ()

Адиабатическими являются процессы, протекающие без теплообмена с внешней средой.

Примером процесса, происходящего без теплообмена между газом и внешней средой (адиабатического процесса), является быстрое сжатие и расширение газа в цилиндре с подвижным поршнем.

В адиабатическом процессе расширения газа совершает полезную работу, при этом его температура и внутренняя энергия уменьшаются. Так как в данном случае не происходит теплообмена с окружающей средой, то работа расширения, совершенная газом, в точности равна уменьшению его внутренней энергии, т.е.

.

В адиабатическом процессе сжатия, наоборот, температура и внутренняя энергия газа возрастают. При этом увеличение внутренней энергии газа в точности равно затрате внешней работы на сжатие газа, т.е.

связь между параметрами газа в адиабатическом процессе определяется так называемым уравнением адиабаты.

где - показатель адиабаты процесса.

Политропический процесс

Политропическими процессами называются термодинамические процессы, у которых может изменяться любой из параметров и имеет место теплообмен с внешней средой.

Уравнение политропического процесса имеет вид

где n – показатель политропы газа, который может равняться любому постоянному числу:

для изохорического процесса

для изобарического процесса

для изотермического процесса

для адиабатического процесс .