Odwracalna ekspansja adiabatyczna: proces, formuła, praca, przykład i wyczerpujące FAKTY

W tym artykule szczegółowo omówiono odwracalną ekspansję adiabatyczną. Proces adiabatyczny to proces, w którym nie zachodzi wymiana ciepła przez ścianki układu.

Procesy odwracalne to te procesy, które są idealne. Można prześledzić całą ścieżkę, którą przebył płyn roboczy, co oznacza, że ​​jeśli ma miejsce proces 1-2, to może on przejść od 2-1 podążając tą samą ścieżką. Oznacza to, że wewnątrz systemu nie ma strat.

Co to jest odwracalna ekspansja adiabatyczna?

Jak omówiono powyżej, procesy odwracalne są procesami idealnymi i procesy adiabatyczne to te, w których następuje wymiana ciepła nie ma miejsca. Procesy odwracalne są nieskończenie powolne, tzn. w układzie tłokowo-cylindrowym tłok porusza się z bardzo małą prędkością, tak że wydaje się nieruchomy.

Odwracalna ekspansja adiabatyczna to proces, w którym objętość gazu rozszerza się lub zwiększa po zakończeniu procesu. Temperatura płynu roboczego lub układu spada w wyniku rozprężania.

Formuła odwracalnej ekspansji adiabatycznej

Wzór na ekspansja adiabatyczna pokazuje zależność między objętością a temperaturą. Temperatura spada wraz ze wzrostem objętości.

Wzór podano poniżej-

T2-T1 = (V1/V2)γ-1/γ

Temperatura odwracalnej ekspansji adiabatycznej

Temperatura spada wraz ze wzrostem objętości. Stąd w odwracalnym procesie adiabatycznej ekspansji temperatura spada.

Temperatura w odwracalnym procesie adiabatycznej ekspansji spada wraz ze wzrostem objętości. Zależność między objętością a temperaturą omówiono powyżej.

Odwracalna adiabatyczna entropia ekspansji

Entropia jest miarą losowości lub stopnia nieuporządkowania. Jest to bardzo ważna wielkość w termodynamice. Wydajność lub jakość dowolnego cyklu termodynamicznego zależy od entropii.

W odwracalnej ekspansji adiabatycznej entropia układu wynosi zero. Dla każdego odwracalnego procesu adiabatycznego entropia układu pozostaje zerowa.

Odwracalna ekspansja adiabatyczna gazu doskonałego

Gaz jest uważany za idealny, gdy jest beztarciowy i nie powoduje żadnych strat, gdy jest jakikolwiek termodynamiczny proces ma miejsce. Podczas rozwiązywania problemów termodynamiki gaz jest zwykle uważany za idealny do łatwych obliczeń.

Poniżej podano ważne wzory odnoszące się do gazu doskonałego, gdy ulega on odwracalnej ekspansji adiabatycznej:

T2-T1 = (V1/V2)γ-1/γ

oraz dla relacji ciśnienie-temperatura,

T2-T1 = (str2/P1)γ-1/γ

Odwracalna ekspansja adiabatyczna gazu rzeczywistego

Prawdziwy gaz nie jest z natury idealny, to znaczy nie przestrzega praw gazu doskonałego. Wykazują działanie ściśliwe, nie są beztarciowe, mają zmienne pojemności cieplne właściwe itp. Stąd praca wykonana przez gaz rzeczywisty jest zawsze mniejsza niż praca wykonana przez gaz doskonały.

Równanie Van Der Walla dla gazu rzeczywistego podano poniżej:

(p + an2/V2)(V – nb) = nRT

Oczywiście praca uzyskana podczas odwracalnej ekspansji adiabatycznej gazu rzeczywistego jest znacznie niższa niż praca uzyskana z gazu doskonałego.

Założenia dla gazu doskonałego

Gaz nigdy nie może być idealny. Wszystkie gazy są w taki czy inny sposób rzeczywiste. Chociaż można poczynić pewne założenia dotyczące gazu doskonałego, co pomaga nam zorientować się, jak idealny jest dany gaz. Założenia przyjęte dla gazu doskonałego podano poniżej:

  • Zero interakcji między cząsteczkami– Atomy gazu nie zderzają się ze sobą.
  • Bez tarcia– Gaz nie będzie poddawany tarciu w całym procesie termodynamicznym.
  • Nieściśliwy– Gęstość gazu pozostaje przez cały czas stała, nie zmienia się wraz ze zmianą ciśnienia lub temperatury otoczenia.
  • Ma tendencję do awarii w niższych temperaturach i wysokich ciśnieniach– Dzieje się tak, ponieważ interakcje międzycząsteczkowe nabierają znaczenia na tym etapie.

W praktycznych sytuacjach wszystkie gazy są w przyrodzie idealne, a najbliższy gazowi idealnemu jest Gaz helowy ze względu na swoją obojętność Natura.

Charakterystyka gazu rzeczywistego

Właściwości gazu rzeczywistego to wszystko, co w przyrodzie nie jest idealne. Dzieje się tak z powodu interakcji międzycząsteczkowych, tarcia i innych zmiennych. Charakterystyka gazu doskonałego jest następująca:

  • Ściśliwy– Rzeczywiste gazy są ściśliwe, co oznacza, że ​​można zmieniać ich gęstość.
  • Zmienna pojemność cieplna– Ich pojemności cieplne nie są stałe, mogą się zmieniać wraz ze zmianą otoczenia.
  • Siły Van Der Walls– Siły te powstają w wyniku zależnej od odległości interakcji między cząsteczkami. We wzorze for dla gazu rzeczywistego znajduje się współczynnik korygujący zarówno dla wpływu ciśnienia, jak i objętości.
  • Nierównowagowe efekty termodynamiczne.

Praca wykonana w odwracalnym procesie adiabatycznym

Połączenia przenikania ciepła wynosi zero w odwracalnym procesie adiabatycznym. Tak więc praca nie jest przekazywana w postaci ciepła, ale zmiany objętości.

Formuła reprezentująca praca wykonana w odwracalnym procesie adiabatycznym podano poniżej-

W = nR(T1-T2)/γ-1

odwracalna ekspansja adiabatyczna
Obraz: Praca wykonana w proces adiabatyczny

Kredytów obrazka: Użytkownik: StanneredAdiabatycznyCC BY-SA 3.0

Odwracalna adiabatyczna entalpia ekspansji

Entalpia jest funkcją ciepła. Zmienia się wraz z wielkością wymiany ciepła.

Entalpia zależy od szybkości wymiany ciepła. Ponieważ w procesie adiabatycznym zmiana zawartości ciepła wynosi zero, więc entalpia zmiana jest również zerowa.

Temperatura końcowa odwracalnej ekspansji adiabatycznej

Podczas procesu rozprężania adiabatycznego temperatura końcowa jest zawsze niższa niż temperatura początkowa w wyniku procesu rozprężania.

Finał temperaturę można obliczyć z zależności temperatura-objętość podane poniżej-

T2/T1 = (V1/V2)γ-1/γ

Temperaturę końcową można również obliczyć z zależności temperatura-ciśnienie podanej poniżej:

T2/T1 = (str2/p1)γ-1/γ

Przykład odwracalnej ekspansji adiabatycznej

Żaden proces nie jest całkowicie odwracalny ani adiabatyczny, jednak najbliżej odwracalnego procesu adiabatycznego możemy się zbliżyć do propagacji fali dźwiękowej w płynach.

W cyklu Carnota (znowu idealny cykl) używa odwracalności ekspansja adiabatyczna i odwracalna kompresja adiabatyczna do celów rozszerzania i kompresji.

Dlaczego zmiana entropii dla odwracalnego procesu adiabatycznego wynosi zero?

Entropia systemu zmienia się wraz ze zmianą zawartości ciepła w systemie. Ponieważ przenikania ciepła jest zabronione przez ściany układu adiabatycznego, zmiana entropii netto również wynosi zero.

Graficznie właściwości tworzące ścieżkę zamkniętą wynoszą zero. Oznacza to, że punkt początkowy i końcowy są takie same. W przypadku entropii, ponieważ odbywa się ona w odwracalnym cyklu, entropia wraca na tę samą ścieżkę do swojej pierwotnej pozycji. Stąd jest to zero.