Какой процесс называется адиабатным

Этапы открытия

1. С помощью ряда исследований в XVII веке было открыто существование атмосферного давления. Впервые явление подтвердилось магдебургскими полушариями, сконструированными немецким инженером Герике. Сфера, образованная полушариями, освобождается от воздуха. После этого полушария достаточно сложно разъединялись, так как на них действовало давление внешнего воздуха. В ходе другого эксперимента изогнутая стеклянная трубка запаивалась с короткого конца, а длинное колено постоянно наполнялось ртутью. Металл не мог достичь верхнего уровня, так как сжатый воздух уравновешивает давление. Данное исследование в начале провел Роберт Бойль. По итогам проделанных испытаний в 1662 году было сформулировано уравнение закона Бойля — Мариотта.
2. В 1779 году в «Пирометрии» Ламберт описал исследование, в ходе которого повышалась и понижалась температура в приемнике воздушной помпы во время движения поршня. В дальнейшем эффект был подтвержден опытами Дарвина в 1788 году и исследованиями Пикте в 1798 году.
3. Позднее в 1802 году была опубликована работа Дальтона, в которой было рассмотрено выделение тепла при сгущении газов, и их охлаждение при разрежении.
4. Лионский физик Моле сообщил в 1803 году о практическом эксперименте, когда рабочему оружейного завода удалось зажечь трут в дуле духового ружья с помощью сжатия воздуха.
5. Физик Пуассон посвятил свои труды теоретическому обобщению экспериментальных наработок. Адиабатический процесс характеризуется непостоянной температурой, что необходимо обозначить поправкой. Такая корректировка была выведена Пуассоном в виде коэффициента, выраженного с помощью соотношения теплоемкостей. Экспериментальное подтверждение данного коэффициента было зафиксировано в 1807 году Вальтером и Гей-Люссаком, а также в 1819 году получил более точное определение с помощью исследований Дезормома и Клемана.
6. Работа ученого С. Карно «Движущая сила огня», опубликованная в 1824 году, предлагает практическое использование адиабатического процесса.

Уравнение процесса

Адиабатный процесс происходит при одновременном изменении всех трех параметров газообразного вещества V, p, Т. Зависимость данных величин друг от друга представлено формулой Клапейрона-Менделеева. В дополнении для описания процесса применяют уравнение Пуассона, в котором отражена зависимость параметров давления и объема газа. Применяя первый принцип термодинамики к адиабатному процессу идеального газа, можно вывести следующее уравнение:

\(0\;=\;CVdT\;+\;pdV\)

Исключая из формулы выражение \(dT\) по уравнению Клапейрона-Менделеева, получается следующее соотношение:

\(pV\;=\;RT\)

Таким образом:

\(dT=\frac{1}{R}\left(pdV+V dp \right)\)

В итоге получается уравнение:

\(\frac{C_{V}}{R}\left(pdV+V dp \right)+pdV=0\)

Согласно уравнению Майера:

\(R\;=\;CP\;–\;CV\)

Необходимо подставить эту формулу, а также поделить числитель и знаменатель дроби перед скобками на \(CV\) и обозначить \(CP/CV\) — \(\gamma\)

\(\frac{1}{\gamma -1}\left(pdV+V dp \right)+pdV=0\)

Из чего следует:

\(V dp + \gamma pdV=0\)

Почленно поделив уравнение на произведение \(pV\), можно вывести следующую формулу:

\(\frac{dp}{p}+\gamma \frac{dV}{V}=0\)

Если данную формулу проинтегрировать, то в результате получится следующее соотношение:

\(\ln p+\gamma \ln V=\ln C\)

Где С представляет собой постоянную интегрирования.

Если пропотенциировать последнюю формулу, то в итоге получается уравнение Пуссона

\(pV\gamma =const\)

Следует отметить, что \(\gamma\) определяется природой газообразного вещества. К примеру, для воздуха \(\gamma=1,42.\)

Как провести процесс, что необходимо

Адиабатный процесс представляет собой термодинамический процесс, для которого необходима теплоизолированная система и полное отсутствие теплообмена с окружающей средой. Во время практического опыта \(Q\;=\;0\). Исходя из первого закона термодинамики, вся выполненная работа расходуется, чтобы изменить внутреннюю энергию системы:

\(A=\Delta U\)

В условиях реальности подобных результатов достичь практически невозможно. Это связано с отсутствием идеальных изоляторов тепла. Однако существуют способы приблизиться к подобным условиям. К примеру, с помощью применения оболочек с низкими показателями теплопроводности, функционирующих по принципу термоса. Также при достаточно высокой скорости осуществления адиабатного процесса обмен теплом между системой и окружающей средой будет длиться в течение непродолжительного времени, поэтому им можно пренебречь.

Как определить работу газа в адиабатном процессе

Во время опыта можно определить следующие характеристики:

\(\delta Q=0\)

Согласно первому принципу термодинамики, адиабатный процесс в таком случае будет записан следующим образом:

\(\delta Q+\delta A=0\)

Из данного уравнения можно сделать вывод, что:

\(\delta A=-dU\)

Таким образом, особенностью адиабатного процесса является выполнение работы исключительно за счет внутренней энергии системы.

В условиях идеального газа формула приобретает следующий вид:

\(\delta A=-CV dt\)

Таким образом, наблюдается снижение температуры газа по причине его работы, направленной против внешних сил, в условиях адиабатного процесса. При этом, если работа выполняется над газообразным веществом, его температура будет повышаться.

Применение адиабатного процесса в машинах

К процессам адиабатного сжатия и расширения газообразных веществ относят также сгущение и разрежение звуковых волн, которые наблюдаются в газах. Скорость звука достаточно велика и в воздухе составляет 340 метров в секунду. Поэтому при таких адиабатических процессах корректно пренебречь теплообменом, ввиду слишком короткого промежутка времени его протекания.

Подобный принцип применим в некоторых тепловых агрегатах. Кроме того, наблюдать адиабатическое сжатие воздуха и, как следствие, повышение его температуры можно при накачивании велосипедной камеры с помощью ручного насоса.

Путем быстрого сжатия газообразного вещества получают в результате возрастание внутренней энергии, которая соответствует величине выполненной работы. В итоге такого процесса температура газа повышается. Данное явление послужило основой инженерного решения, при котором топливная смесь самовозгорается в дизельных моторах.

В обратной ситуации, когда газ сам выполняет определенную работу, стремительно расширяясь, показатели внутренней энергии падают, температурные характеристики газообразного вещества также снижаются. Данное свойство используют для сжижения газов. Адиабатный процесс проявляется так же, как взрыв, плавление предохранителя при коротком замыкании.