Що таке адіабатний процес?

Щоб побудувати теплову машину, яка може виконувати роботу за рахунок використання теплоти, необхідно створити певні умови. Насамперед, теплова машина повинна працювати в циклічному режимі, де ряд послідовних термодинамічних процесів створюють цикл. В результаті здійснення циклу газ, укладений в циліндр з рухомим поршнем, здійснює роботу. Але одного циклу для періодично діючої машини мало, вона повинна виконувати цикли раз за разом протягом певного часу. Сумарна робота, виконана протягом заданого часу в реальності, поділена на час дає ще одне важливе поняття – потужність.

В середині XIX століття були створені перші теплові машини. Вони виробляли роботу, але витрачали велику кількість теплоти, одержуваної при згорянні палива. Саме тоді фізики-теоретики задалися питаннями: «газ працює в тепловій машині? Як отримати максимум роботи при мінімумі використання палива?»

Щоб виконати аналіз роботи газом, знадобилося ввести цілу систему визначень і понять. Сукупність усіх визначень і створила цілий науковий напрям, що отримало назву: «Технічна термодинаміка». В термодинаміці був прийнятий ряд припущень, анітрохи не умаляющих основні висновки. Робоче тіло – ефемерний газ (не існуючий в природі), який може бути стиснутий до нульового обсягу, молекули якого не взаємодіють між собою. В оточуючій природі існують тільки реальні гази, які мають цілком певні властивості, відмінні від ідеального газу.

Більше:

Перший штучний супутник Землі

Перший штучний супутник Землі є одним з найбільших досягнень науки ХХ століття. Тим не менш, як це ні парадоксально, цьому великому науковому і технічному досягненню значною мірою сприяла холодна війна між двома наддержавами: США і Радянським Союзом....

Що таке соціалізація, і як вона змінює людину

Спробуємо розібратися, що таке соціалізація, в чому її сутність і особливість. Адже для кожної особистості входження у суспільство і засвоєння його основних норм є фундаментом до подальшої безпроблемною і успішного життя і діяльності. Отже, що таке с...

Принц Чарльз – головний спадкоємець британського престолу

Згідно із законом королівства Великобританія, спадкоємець британського престолу - це старший закононароджена син чинного монарха або ж попереднього претендента на престол. Однак якщо у царюючого особи немає дитини чоловічої статі, то право спадкуванн...

Щоб розглядати моделі динаміки робочого тіла, були запропоновані закони термодинаміки, що описують основні термодинамічні процеси, такі як:

• ізохорний процес – це процес, який виконується без зміни об'єму робочого тіла. Умова ізохорний процесу, v=const;
• ізобарний процес – це процес, який виконується без зміни тиску в робочому тілі. Умова изобарного процесу, P=const;
• ізотермічний (изотермный) процес – це процес, який виконується при збереженні температури на заданому рівні. Умова ізотермічного процесу, T=const;
• адіабатичний процес (адиабатный, так його називають сучасні теплотехніки) – це процес, що здійснюється в просторі без обміну теплом з навколишнім середовищем. Умова адіабатичного процесу, q=0;
• політропних процес – це самий узагальнений процес, який описує всі названі вище термодинамічні процеси, а також усі інші можливі для здійснення в циліндрі з рухомим поршнем.

У період створення перших теплових машин шукали цикл, в якому можна отримати самий високий ККД (коефіцієнт корисної дії). Саді Карно, досліджуючи сукупність термодинамічних процесів, за натхненням прийшов до розробки свого циклу, який отримав його ім'я – цикл Карно. В ньому послідовно виконуються ізотермічний, потім адіабатичний процес стиснення. Робоче тіло після виконання цих процесів володіє запасом внутрішньої енергії, але цикл ще не завершений, тому робоче тіло розширюється і виконує ізотермічний процес розширення. Щоб закінчити цикл і повернутися до вихідних параметрів робочого тіла, виконується адіабатичний процес розширення.

Карно довів, що ККД в його циклі досягає максимуму і залежить тільки від температур двох ізотерм. Чим вище різниця між ними, тим, відповідно, вище термічний ККД. Спроби створити теплову машину за циклом Карно так і не увінчалися успіхом. Це ідеальний цикл, який виконати не можна. Але він довів головний принцип другого початку термодинаміки про неможливість отримання роботи, рівній витрат теплової енергії. Був сформульований ряд визначень другого початку (закону) термодинаміки, на підставі яких Рудольф Клаузіус ввів поняття ентропії. Головний висновок його досліджень – ентропія постійно зростає, що веде до теплової «смерті».

найголовнішим досягненням Клаузиуса з'явилося розуміння суті адіабатичного процесу, при його виконанні ентропія робочого тіла не змінюється. Тому адіабатичний процес за Клаузиусу – це s=const. Тут s – це ентропія, що дає ще одну назву процесу, здійснюваного без підведення або відведення теплоти, – изоэнтропийный процес. Вчений займався пошуком такого циклу теплової машини, де не відбувалося б збільшення ентропії. Але, на жаль, такого він створити не зумів. Тому вивів, що теплова машина не може бути створена взагалі.

Але не всі дослідники були налаштовані так песимістично. Вони шукали реальні цикли для теплових машин. В результаті їх пошуків Ніколаус Август Отто створив свій цикл теплової машини, яка сьогодні реалізується в двигунах, що працюють на бензині. Тут виконуються адіабатичний процес стиснення робочого тіла і ізохорний підведення теплоти (згоряння палива при постійному об'ємі), потім з'являються адіабата розширення (робота здійснюється робочим тілом в процесі збільшення його обсягу) і ізохорний відведення теплоти. Перші двигуни внутрішнього згоряння з циклом Отто використовували в якості палива горючі гази. Багато пізніше були придумані карбюратори, які стали створювати бензовоздушные суміші повітря з парами бензину і подавати їх у циліндрдвигуна.

В циклі Отто стискається горюча суміш, тому величина стиснення її порівняно невелика – горюча суміш має схильність детонувати (вибухати при досягненні критичних тисків і температур). Тому робота при адіабатичному процесі стиснення порівняно невелика. Тут введено ще одне поняття: ступінь стиснення – відношення повного об'єму до об'єму стиснення.

Пошук шляхів збільшення ефективності використання енергії палива тривав. Збільшення ККД бачили в підвищенні ступеня стиснення. Рудольф Дизель розробив свій цикл, в якому підведення теплоти здійснюється при постійному тиску (в изобарном процесі). Його цикл ліг в основу двигунів, що використовують дизельне паливо (його ще називають соляркою). У циклі Дизеля стискається не горюча суміш, а повітря. Тому кажуть, що вчиняється робота в адіабатичному процесі. Температура і тиск в кінці стиснення високі, тому через форсунки здійснюється впорскування палива. Воно перемішується з гарячим повітрям, утворює горючу суміш. Вона згорає, при цьому збільшується внутрішня енергія робочого тіла. Далі розширення газу йде по адиабате, відбувається робочий хід.

Спроба реалізувати цикл Дизеля в теплових машинах не вдалася, тому Густав Трінклер створив комбінований цикл Трінклера. Його і використовують у сьогоднішніх дизельних двигунах. У циклі Трінклера теплота підводиться по изохоре, а потім за изобаре. Тільки після цього виконується адіабатичний процес розширення робочого тіла.

За аналогією з поршневими тепловими машинами працюють і турбінні. Але у них процес відведення теплоти по завершенні корисного адіабатичного розширення газу виконується за изобаре. На літаках з газотурбінним і турбовинтовым двигунами адіабатичний процес відбувається двічі: при стиску і розширення.

Щоб обгрунтувати всі засадничі поняття адіабатичного процесу, були запропоновані розрахункові формули. Тут фігурує важлива величина, що одержала назву показник адіабати. Його значення для двоатомних газу (кисень і азот – це основні двоатомні гази, що наявні у повітрі) дорівнює 1,4. Для розрахунку показника адіабати використовуються ще дві цікаві характеристики, а саме: ізобарна та изохорная теплоємність робочого тіла. Ставлення їх k=Cp/Cv – і є показник адіабати.

Чому в теоретичних циклах теплових машин використовується адіабатний процес? Насправді виконуються політропні процеси, але з-за того, що вони відбуваються з високою швидкістю, прийнято припускати відсутність теплообміну з навколишнім середовищем.

90% електроенергії виробляється на теплових електростанціях. В них в якості робочого тіла використовується водяний пар. Його отримують при кипінні води. Щоб підвищити робочий потенціал пара, його перегрівають. Потім при високому тиску перегрітий пар подається на парову турбіну. Тут також відбувається адіабатичний процес розширення пари. Турбіна отримує обертання, його передають на електрогенератор. Той, у свою чергу, виробляє електроенергію для споживачів. Парові турбіни працюють по циклу Ренкіна. В ідеалі підвищення ефективності також пов'язано зі збільшенням температури і тиску водяної пари.

Як видно з викладеного, адиабатный процес є досить поширеним у виробництві механічної та електричної енергій.