Адиабатический процесс

1. Введение

     Первый  закон термодинамики, как и закон  сохранения энергии в механике, часто  дает возможность исследовать тепловые процессы в макроскопических системах даже в тех случаях, когда нам  не известны детали микроскопической картины изучаемых явлений.

     Первый закон универсален, он применим ко всем без исключения тепловым процессам в любых системах. Как и всякий закон сохранения, он не дает детальной информации о ходе процесса, но позволяет составить уравнение баланса, если заранее известно, какие энергетические превращения происходят в рассматриваемой системе.

     Совершение  внешними силами механической работы над системой также может не сопровождаться изменением ее внутренней энергии. Если сжимать идеальный газ, принимая меры к тому, чтобы его температура  при этом не увеличивалась, то внутренняя энергия газа останется без изменения, а окружающим телам перейдет некоторое количество теплоты, равное совершенной над газом при его сжатии работе

     Рассмотрим применение первого закона термодинамики к процессам в одноатомных идеальных газах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Изотермический  процесс (Т = const):

     При изотермическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими  телами происходит и в форме теплопередачи, и в форме работы. Все подведенное  к идеальному газу тепло затрачивается на совершение работы.

     Если  газ получает теплоту (Q > 0), то он совершает  положительную работу (А` > 0), если газ отдает теплоту (Q < 0), то А` < 0. Работа внешних сил над газом  в этом случае положительная (А > 0). 

2. Изобарический процесс (р = const):

     При изобарическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими  телами происходит в форме работы и теплопередачи. Сообщенная идеальному газу теплота затрачивается и  на изменение внутренней энергии, и  на совершение газом работы:

3. Изохорический процесс:

     При изохорическом процессе обмен между  идеальным газом и окружающими  телами происходит только в форме  теплопередачи. Вся подведенная  к идеальному газу теплота затрачивается  на изменение его внутренней энергии:

2. Адиабатический  процесс (Q = 0)

     Адиабатический  процесс - процесс, при котором физическая система не получает теплоты извне  и не отдает ее. Этот процесс протекает  без теплообмена с окружающими  телами.

     При адиабатическом процессе:

     При адиабатическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит только в форме работы. Работа при адиабатическом процессе совершается за счет изменения внутренней энергии газа.

     Если  А` > 0 (газ расширяется), то дельта U < 0 - температура газа понижается. Если же А` < 0 (газ сжимается), то дельта U > О - температура повышается.

     График  адиабатического процесса и изотермического процесса:

     Линия, изображающая адиабатический процесс на какой-либо термодинамической диаграмме, называется адиабатой.  Можно убедиться, что адиабата идеального газа, построенная в координатах P и V, всегда идёт круче изотермы. Это связано с тем, что показатель адиабаты для газов всегда больше единицы и принимает наибольшее значение для одноатомных газов. Поэтому самую крутую адиабату имеют инертные газы, молекулы которых состоят из одного атома. Поскольку адиабата пересекает все изотермы данной термодинамической системы, возможен адиабатический переход с одной изотермы на другую, путём сжатия или разрежения газа. А посредством изотермического изменения объёма возможен переход с одной адиабаты на другую.

     Рассмотрим  пример: посмотрим как происходит протекание газа через змеевик. Если в змеевике газ охлаждается, т.е. отдает теплоту (Q<0), то совершаемая работа над газом положительна – внешние силы «проталкивают» газ через змеевик. Если теплота подводится к газу (Q>0), то наш змеевик подобен тепловой машине – газ сам совершает работу над внешними телами. Этот результат не зависит от того, какова величина давления газа на выходе и на входе. Единственное условие при этом – давление на входе должно быть больше давления на выходе, иначе газ просто потечет в обратную сторону.

     Попробуем при помощи компрессора прокачивать  через змеевик газ в вакуум. Для того чтобы процесс можно  было считать стационарным, сечение  выходного отверстия нужно сделать много меньше сечения входного. Змеевик теплоизолируем от окружающей среды.

     Совершаемая компрессором над газом работа положительна и равна полной совершаемой над  газом работе, ибо, выходя за вакуум, газ работы не совершает. Так как  нет обмена теплотой, налицо противоречие с утверждением о том, что при  адиабатическом протекании работа равна нулю.

     Это противоречие возникло потому, что  при прокаичвании газа в вакуум происходят и такие энергетические превращения, которые были совершенно несущественны. Действительно, первый закон термодинамики  использовался в виде Q + A = U, где U – внутренняя энергия газа. Поэтому при использовании такой формулировки первого закона термодинамики заранее молчаливо предполагается, что в рассматриваемых процессах не происходит изменения механической энергии системы, т.е. не меняется потенциальная энергия газа как целого во внешнем поле, не меняется и кинетическая энергия движения газа как целого, не возникает в газе никаких макроскопических потоков. Теперь уже становится ясно, что при прокачивании газа в вакуум возникает макроскопический направленный поток, кинетическую энергию которого необходимо учитывать. Работа компрессора в этом случае как раз и определяет кинетическую энергию этого потока.

     Если  вход и выход змеевика расположены  на разной высоте, то в уравнении  закона сохранения энергии необходимо учитывать и изменение потенциальной энергии газа в поле тяжести, подобно тому как это делалось в гидродинамике при выводе уравнения Бернулли.

3. Список использованной литературы:

1. Бутиков Е.И., Кондратьев А.С., Уздин В.М. Физика. Строение и свойства вещества. М. – С.-П., ФИЗМАТЛИТ.
2. Учебник «Физика-10» В.А.Касьянов , М., Дрофа, 2003.