Kompresja adiabatyczna to proces termodynamiczny, w którym energia wewnętrzna układu wzrasta ze względu na wzrost temperatury.
Kompresja adiabatyczna charakteryzuje się zerowym przenoszeniem ciepła między systemem a otoczeniem. Wzrost temperatury podczas kompresji adiabatycznej prowadzi do wzrostu ciśnienia, które zwykle jest znacznie większe niż tempo spadku objętości.
Proces adiabatyczny można zdefiniować wyrażeniem:
PVꝩ = Stała
Gdzie,
P = ciśnienie w systemie
V: Głośność systemu
ꝩ = stosunek ciepła właściwego gazu (Cp/Cv)
Tutaj Cp jest ciepłem właściwym w warunkach stałego ciśnienia, a Cv jest ciepłem właściwym w warunkach stałej objętości. W powyższym równaniu uważa się, że system jest doskonale odizolowany od otoczenia tak, że dQ=0, czyli brak wymiany ciepła z otoczeniem. Drugim założeniem powyższych wyrażeń jest to, że gaz musi być gazem idealnym (współczynnik ściśliwości =1)
W praktyce, idealne zachowanie wykazuje niewielka liczba gazów lub skład gazów. Co więcej, zawsze występuje utrata ciepła do otoczenia, gdy praca fotowoltaiczna jest wykonywana przez system. Jednak ze względów praktycznych większość gazów wykazuje zachowanie bliskie idealnemu przy ciśnienie i temperatura powyżej ich temperatury wrzenia. W tych warunkach zderzenia między gazami są doskonale elastyczne, a siły międzycząsteczkowe między zderzającymi się atomami prawie nie istnieją.
Obraz|: kolizja elastyczna
Źródło: https://www.nuclear-power.com/nuclear-engineering/thermodynamics/ideal-gas-law/what-is-ideal-gas/
Kolejny praktyczny przykładem procesu adiabatycznego jest turbina gazowa operacja, w której proces zmian jest bardzo najazdowy. W tych procesach dochodzi do strat ciepła, ale ich ilość jest dość niska w porównaniu do ciepła przekazywanego w procesie, co czyni je nieistotnymi. Kolejny przykład an proces adiabatyczny to suwy sprężania i rozprężania silnika spalinowego.
PV schemat uderzeń w silniku spalinowym
Źródło pliku: https://engineeringinsider.org/adiabatic-process-types/
Co to jest kompresja adiabatyczna?
W termodynamice, an proces adiabatyczny charakteryzuje się przez dQ=0, gdzie Q jest sercem przeniesionym z otoczeniem.
Sprężanie adiabatyczne to proces, w którym wykonywana praca PV jest ujemna i powoduje wzrost temperatury układu. Ten wzrost temperatury zwiększa energię wewnętrzną systemu.
Kompresja adiabatyczna zakłada doskonałą izolację, co jest czysto teoretyczne. Założenia adiabatyczne mogą być jednak bezpiecznie wykonane przez inżynierów dla wszystkich praktycznych celów w procesach, które są dość dobrze izolowane lub bardzo szybkie.
Kompresja adiabatyczna jak to działa?
Kompresja adiabatyczna działa na tych samych zasadach, co pierwsza zasada termodynamiki.
Pierwsza zasada termodynamiki stwierdza, że
dQ= dU + dW
In kompresja adiabatyczna, ponieważ przenikanie ciepła z otoczeniem jest zerowe, powyższe równanie można zapisać jako:
dU= -PdV
Z powyższego wynika, że wzrost energii wewnętrznej odpowiada zmniejszeniu objętości. Na wzrost energii wewnętrznej wskazuje wzrost temperatury układu.
PV Schemat procesu adiabatycznego
Źródło: https://engineeringinsider.org/adiabatic-process-types/
Czy kompresja jest zawsze adiabatyczna?
Sprężanie odbywa się dla płynów ściśliwych, które zasadniczo są gazami i zachodzi różnymi drogami termodynamicznymi.
Proces sprężania gazu może być termodynamicznie trzy rodzaje: – sprężanie izotermiczne, adiabatyczne i politropowe. Wszystkie te różne rodzaje uciśnięć mogą prowadzić do różnych warunków końcowych przy tej samej ilości wykonanej pracy.
Sprężanie izotermiczne: Jak sama nazwa wskazuje, ten rodzaj sprężania występuje w stałej temperaturze. Osiąga się to poprzez dostarczenie chłodziwa z płaszczem na korpusie sprężarki i/lub zapewnienie chłodzenia międzystopniowego. Jednak w praktycznych zastosowaniach bardzo trudno jest osiągnąć całkowitą kompresję izotermiczną. Sprasowanie bliskie izotermy można osiągnąć przez umożliwienie procesowi sprężania przebiegającego w bardzo wolnym tempie z wystarczającym czasem zapewnionym do usunięcia ciepła wytworzonego w procesie. Kompresja izotermiczna jest wyrażona wyrażeniem
PV= stała
Kompresja adiabatyczna: Ten rodzaj kompresji wymaga przeprowadzenia kompresji bez utraty lub uzyskania ciepła z otoczenia. Aby osiągnąć to samo, potrzebny jest doskonale izolowany system. Kolejna metoda do osiągnięcia kompresja adiabatyczna polega na przeprowadzeniu kompresji w bardzo szybkim tempie, tak aby nie było czasu na odprowadzenie ciepła z układu do otoczenia. Kompresja adiabatyczna wyraża się wyrażeniem:
PVꝩ= stała, gdzie ꝩ jest stosunkiem ciepła właściwego sprężonego gazu.
Kompresja politropowa: Kompresja politropowa określa rzeczywiste procesy sprężania zachodzące w rzeczywistych systemach sprężania, takich jak te w sprężarce gazu. A politropowy proces kompresji wyraża się wyrażeniem:
PVn = Stała, gdzie n zmienia się od 1-1.4
Formuła kompresji adiabatycznej
Formuła kompresji adiabatycznej wywodzi się z pierwszej zasady termodynamiki, biorąc pod uwagę, że nie ma przenoszenia ciepła do i z układu.
Wzór na kompresję adiabatyczną można wyrazić w różnych formach, np. w formie PV, w formie TV oraz w formie PT, gdzie P, V i T to odpowiednio ciśnienie, objętość i temperatura.
Kompresja adiabatyczna w postaci ciśnienia i temperatury jest wyrażona wzorem:
P1-Ꝩ Tꝩ = Stała
Kompresja adiabatyczna w postaci objętości i temperatury:
TV-1= Stała
Kompresja adiabatyczna w postaci ciśnienia i objętości jest wyrażona wzorem:
PVꝩ= Stała
Jak obliczyć kompresję adiabatyczną?
Sprężenie adiabatyczne można obliczyć za pomocą wzoru PVꝩ= Stała.
Tłok sprężający gaz w cylindrze będzie nazywany procesem adiabatycznym, gdy przenikanie ciepła do otoczenia jest zerowe. W takim przypadku, jeśli znane są warunki początkowe (P1 i V1) wraz ze stosunkiem ciepła właściwego gazu (ꝩ), można uzyskać jeden z warunków końcowych (P2, V2), jeśli zostanie określony. W ten sposób formuła staje się:
P1V1ꝩ= P2V2ꝩ
Co powoduje kompresję adiabatyczną (nieistotne)
Praca wykonana w kompresji adiabatycznej
Pracę wykonaną w procesie adiabatycznym można wyprowadzić ze wzoru na proces adiabatyczny
PVꝩ= Stała (K). Ten wzór można przepisać jako P=KV-ꝩ
Aby obliczyć pracę wykonaną w proces adiabatyczny , rozważmy, że układ jest skompresowany z początkowej pozycji P1, V1 i T1 do końcowej pozycji P2, V2 i T2. Wykonana praca jest przekazywana przez
Wykonana praca (W)= Siła x przemieszczenie
W= Fdx
W=PAdx
W=P(adx)
W=PdV
Aby obliczyć pracę wykonaną podczas sprężania od V1 do V2, należy zintegrować PdV z granicami V1 i V2
Lub W=
Lub W=dV Gdzie P=KV-ꝩ
Można to podać jako praca wykonywana w procesie adiabatycznym.
Integrując dalej, otrzymujemy ostateczne wyrażenie za pracę wykonaną jako
W=1/(1−γ) {P2V2−P1V1}
Jaka jest praca wykonana w procesie adiabatycznym?
Proces adiabatyczny może być albo kompresją adiabatyczną, albo ekspansją adiabatyczną.
W przypadku kompresja adiabatyczna, praca jest wykonywana przez otoczenie w systemie i w ekspansji adiabatycznej praca jest wykonywana przez system w otoczeniu. Praca wykonywana w procesie adiabatycznym jest taka sama jak praca wykonywana w kompresji lub ekspansji adiabatycznej.
Przykład adiabatyczny Ekspansja to unoszenie się gorącego powietrza w atmosferze, które adiabatycznie rozszerza się z powodu niższego ciśnienia atmosferycznego i w rezultacie ochładza. W tym przypadku praca jest wykonywana przez wznoszące się gorące powietrze, a pracę wykonuje system.
Czy praca jest ujemna w kompresji adiabatycznej?
Tak, praca wykonana przez system podczas kompresji adiabatycznej jest ujemny.
Kompresja adiabatyczna następuje wraz ze wzrostem energii wewnętrznej układu. Wiemy z pierwszego prawa termodynamika że skoro dQ w kompresji adiabatycznej wynosi zero,
dU + dW=0
lub dU=-dW
dU i dW mają ze sobą negatywną relację. Tak więc, ponieważ wewnętrzna zmiana energii jest pozytywna, wykonana praca jest negatywna.
Zależność tę potwierdza również fakt, że podczas kompresji adiabatycznej energia wewnętrzna wzrasta, praca jest wykonywana przez otoczenie w systemie, a zatem praca wykonywana przez system w otoczeniu jest negatywna.
Wręcz przeciwnie praca wykonywana przez system na otoczenie podczas ekspansji adiabatycznej jest pozytywny.
Jak obliczyć pracę wykonaną w procesie adiabatycznym?
Proces adiabatyczny można osiągnąć, jeśli rozprężanie lub sprężanie gazu odbywa się w doskonale izolowanym systemie lub jest przeprowadzane tak szybko, że transfer ciepła do otoczenia jest znikomy.
Matematycznie nie ma różnicy między ekspansją adiabatyczną a kompresją adiabatyczną, a zatem stosują te same wzory i wyprowadzenia.
Tak więc wszystkie wzory użyte do kompresji adiabatycznej opisane powyżej są prawdziwe dla każdego procesu adiabatycznego.
Czy kompresja adiabatyczna jest odwracalna?
Kompresja adiabatyczna jest odwracalna, jeśli nie ma zmiany w entropii
Proces nazywa się odwracalnym, jeśli jest izentropowy lub nie ma zmiany w entropii układu lub dS=0. Kompresja adiabatyczna to taka, w której nie ma zmian w przenikania ciepła z otoczeniem. Aby kompresja adiabatyczna była odwracalna, proces kompresji musi przebiegać bez tarcia.
An przykład odwracalnej adiabatycznej kompresję, zwaną także kompresją izentropową, można znaleźć w turbinach gazowych lub nowoczesnych silnikach odrzutowych. Ten gaz turbiny podążają za cyklem Braytona jak pokazano poniżej.
Na powyższym rysunku ideał Cykl Braytona składa się z czterech procesów termodynamicznych.
Etap 1-> Etap 2: kompresja izoentropowa
Etap 2 -> etap 3: Ogrzewanie izobaryczne
Etap 3-> Etap 4: Ekspansja izo-entropiczna
Jestem Sangeeta Das. Ukończyłem studia magisterskie z inżynierii mechanicznej ze specjalizacją w silnikach spalinowych i samochodach. Mam około dziesięcioletnie doświadczenie w przemyśle i środowisku akademickim. Moje zainteresowania obejmują silniki spalinowe, aerodynamikę i mechanikę płynów. Możesz mnie znaleść w