ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Описывает адиабатный процесс, протекающий в . Адиабатным называют такой процесс, при котором отсутствует теплообмен между рассматриваемой системой и окружающей средой: .
Уравнение Пуассона имеет вид:
Здесь – объем, занимаемый газом, – его , а величина называется показателем адиабаты.
Показатель адиабаты в уравнении Пуассона
В практических расчётах удобно помнить, что для идеального газа показатель адиабаты равен , для двухатомного – , а для трёхатомного – .
Как же быть с реальными газами, когда важную роль начинают играть силы взаимодействия между молекулами? В этом случае показатель адиабаты для каждого исследуемого газа можно получить экспериментально. Один из таких методов был предложен в 1819 году Клеманом и Дезормом. Мы наполняем баллон холодным газом, пока давление в нём не достигнет . Затем открываем кран, газ начинает адиабатически расширяться, а давление в баллоне падает до атмосферного . После того, как газ изохорно прогреется до температуры окружающей среды, давление в баллоне повысится до . Тогда показатель адиабаты можно рассчитать за формулой:
Показатель адиабаты всегда больше 1, поэтому при адиабатическом сжатии газа – как идеального, так и реального – до меньшего объема температура газа всегда возрастает, а при расширении газ охлаждается. Это свойство адиабатического процесса, называемое пневматическим огнивом, применяется в дизельных двигателях, где горючая смесь сжимается в цилиндре и воспламеняется от высокой температуры. Вспомним первый закон термодинамики: , где — , а А – выполняемая над ней работа. Поскольку то работа, осуществляемая газом, идёт только на изменение его внутренней энергии – а значит, температуры. Из уравнения Пуассона можно получить формулу для расчёта работы газа в адиабатном процессе:
Здесь n – количество газа в молях, R – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура газа.
Уравнение Пуассона для адиабатического процесса применяется не только при расчётах двигателей внутреннего сгорания, но и в проектировании холодильных машин.
Стоит помнить, что уравнение Пуассона точно описывает только равновесный адиабатный процесс, состоящий из непрерывно сменяющих друг друга состояний равновесия. Если же мы в реальности откроем кран в баллоне, чтобы газ адиабатически расширился, возникнет нестационарный переходной процесс с завихрениями газа, которые затухнут из-за макроскопического трения.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
Задание | Одноатомный идеальный газ адиабатически сжали так, что его объем увеличился в 2 раза. Как изменится давление газа? |
Решение | Показатель адиабаты для одноатомного газа равен . Однако его можно рассчитать и по формуле:
где R – универсальная газовая постоянная, а і – степень свободы молекулы газа. Для одноатомного газа степень свободы равен 3: это значит, что центр молекулы может совершать поступательные движения по трём координатным осям.
Поэтому показатель адиабаты: Представим состояния газа в начале и конце адиабатного процесса через уравнение Пуассона: |
Ответ | Давление уменьшится в 3,175 раза. |
ПРИМЕР 2
Задание | 100 молей двухатомного идеального газа адиабатически сжали при температуре 300 К. При этом давление газа увеличилось в 3 раза. Как изменилась работа газа? |
Решение | Степень свободы двухатомной молекулы , так как молекула может двигаться поступательно по трём координатным осям, и вращаться вокруг двух осей. |
Цель работы : познакомиться с адиабатическим процессом, определить показатель адиабаты для воздуха.
Оборудование : баллон с клапаном, компрессор, манометр.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ
Адиабатический процесс – это процесс, протекающий в термодинамической системе без теплообмена с окружающей средой. Термодинамической системой является система, содержащая огромное количество частиц. Например, газ, число молекул которого сравнимо с числом Авагадро 6,02∙10 23 1/моль. Хотя движение каждой частицы подчиняется законам Ньютона, но их так много, что решить систему уравнения динамики для определения параметров системы невозможно. Поэтому состояние системы характеризуют термодинамическими параметрами, такими как давление P , объем V , температура T .
Согласно первому началу термодинамики , являющемуся законом сохранения энергии в термодинамических процессах, теплота Q , подводимая к системе, расходуется на совершение работы А и на изменение внутренней энергии Δ U
Q = A + D U. (1)
Теплота – это количество энергии хаотического движения, передаваемое термодинамической системе. Подвод теплоты приводит к повышению температуры: , где n – количество газа, С − молярная теплоемкость, зависящая от вида процесса. Внутренняя энергия идеального газа − это кинетическая энергия молекул. Она пропорциональна температуре: , где C v – молярная теплоемкость при изохорическом нагревании. Работа элементарного изменения объема силами давления равна произведению давления на изменение объема: dA = PdV.
Для адиабатического процесса, происходящего без теплообмена (Q = 0), работа совершается за счет изменения внутренней энергии, A = − D U . При адиабатическом расширении работа газа положительна, поэтому внутренняя энергия и температура понижаются. При сжатии – наоборот. Все быстро протекающие процессы можно достаточно точно считать адиабатическими.
Выведем уравнениеадиабатического процесса идеального газа. Для этого применим уравнение первого начала термодинамики для элементарного адиабатического процесса dA= − dU, котороепринимает вид РdV =−n С v dT . Добавим к этому дифференциальному уравнению еще одно, полученное дифференцированием уравнения Менделеева–Клапейрона (PV=νRT ): PdV +VdP =nR dT. Исключая в двух уравнениях один из параметров, например, температуру, получим соотношение для двух других параметров . Интегрируя и потенцируя, получим уравнение адиабаты через давление и объем:
P V g = const.
Аналогично:
T V g -1 = const, P g -1 T -- g = const . (2)
Здесь – показатель адиабаты , равный отношению теплоемкостей газа при изобарическом и изохорическом нагревании.
Получим формулу для показателя адиабаты в молекулярно-кинетической теории. Молярная теплоемкость по определению это количество теплоты, необходимое для нагревания одного моля вещества на один Кельвин . При изохорическом нагревании теплота расходуется только на повышение внутренней энергии . Подставив теплоту, получим .
Приизобарическом нагревании газа в условиях постоянного давления дополнительно часть теплоты расходуется на работу изменения объема . Поэтому количество теплоты, (dQ = dU + dA ) полученное при изобарическом нагревании на один Кельвин будет равно . Подставив в формулу теплоемкости, получим .
Тогда показатель адиабаты может быть определен теоретически по формуле
Здесь i – число степеней свободы молекул газа. Это число координат, достаточное для определения положения молекулы в пространстве или число составляющих компонентов энергии молекулы. Например, для одноатомной молекулы кинетическая энергия может быть представлена как сумма трех компонентов энергии, соответствующих движению вдоль трех осей координат, i = 3. Для жесткой двухатомной молекулы следует добавить еще два компонента энергии вращательного движения, так как энергия вращения относительно третьей оси, проходящей через атомы, отсутствует. Итак, для двухатомных молекул i = 5. Для воздуха как для двухатомного газа теоретическое значение показателя адиабаты будет равно g = 1,4.
Показатель адиабаты можно определить экспериментально методом Клемана – Дезорма. В баллон нагнетают воздух, сжимая до некоторого давления Р 1 , немного больше атмосферного. При сжатии воздух несколько нагревается. После установления теплового равновесия баллон на короткое время открывают. В этом процессе расширения 1–2 давление падает до атмосферного Р 2 =Р атм , а исследуемая масса газа, которая до этого занимала часть объема баллона V 1 , расширяется, занимая весь баллон V 2 (рис.1). Процесс расширения воздуха (1−2) происходит быстро, его можно считать адиабатическим, происходящим по уравнению (2)
. (4)
В адиабатическом процессе расширения воздух охлаждается. После закрытия клапана охлажденный воздух в баллоне через стенки баллона нагревается до температуры лаборатории Т 3 = Т 1 . Это изохорический процесс 2–3
. (5)
Решая совместно уравнения (4) и (5), исключая температуры, получим уравнение, , из которого следует определить показатель адиабаты γ . Датчик давления измеряет не абсолютное давление, которое записано в уравнениях процессов, а избыточное над атмосферным давлением. То есть Р 1 = ΔР 1 + Р 2 , и Р 3 =ΔР 3 +Р 2 . Переходя к избыточным давлениям, получим . Избыточные давления невелики по сравнению с атмосферным давлением Р 2 . Разложим члены уравнения в ряд по соотношению . После сокращения на Р 2 получим для показателя адиабаты расчетную формулу
. (6)
Лабораторнаяустановка (рис. 2) состоит из стеклянного баллона, который сообщается с атмосферой через клапан Атмосфера . Воздух накачивается в баллон компрессором при открытом кране К . После накачивания, во избежание утечки воздуха, кран закрывают.
ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ
1. Включить установку в сеть 220 В.
Открыть кран баллона. Включить компрессор, накачать воздух до избыточного давления в диапазоне 4 –11 кПа. Закрыть кран баллона. Выждать 1,5 –2 мин, записать величину давления ΔР 1 в таблицу.
2. Повернуть клапан Атмосфера до щелчка, клапан откроется и захлопнется. Произойдет адиабатический сброс воздуха с понижением температуры. Следить за повышением давления в баллоне по мере нагрева. Измерить наивысшее давление ΔР 3 после установления теплового равновесия. Результат записать в таблицу.
Повторить опыт не менее пяти раз, изменяя исходное давление в диапазоне 4–11 кПа.
ΔР 1 , кПа | |||||
ΔР 3 , кПа | |||||
γ |
Выключить установку.
3. Произвести расчеты. Определить показатель адиабаты в каждом опыте по формуле (6). Записать в таблицу. Определить среднее значение показателя адиабаты <γ >
4. Оценить случайную погрешность измерения по формуле для прямых измерений
. (7)
5. Записать результат в виде g = <g > ± dg . Р = 0,9. Сравнить результат с теоретическим значением показателя адиабаты двухатомного газа g теор = 1,4.
Сделать выводы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте определение адиабатического процесса. Запишите первое начало термодинамики для адиабатического процесса. Объясните изменение температуры газа при адиабатических процессах сжатия и расширения.
2. Выведите уравнение адиабатического процесса для параметров давление – объем.
3. Выведите уравнение адиабатического процесса для параметров давление – температура.
4. Дайте определение числа степеней свободы молекул. Как зависит внутренняя энергия идеального газа от вида молекул?
5. Как осуществляются процессы с воздухом в цикле Клемана – Дезорма, как изменяются давления и температуры в процессах?
6. Выведите расчетную формулу для экспериментального определения показателя адиабаты.
Похожая информация.
Расчет давления во фронте воздушной ударной волны при разрушении емкости проводится по формулам (3.12), (3.45), в последней из которых величина aMQ v н заменяется на Е, значение коэффициента b 1 = 0,3.
Серьезную опасность представляет разлет осколков, образующихся при разрушении емкости. Движение осколка с известной начальной скоростью можно описать системой уравнений вида
\s\up15(x" = -\f((0C1S1 \b (x" -\f((0C2S2 \b (x"2 + y"2 (3.45)
где m - масса осколка, кг;C 1 ,C 2 - коэффициенты лобового сопротивления и подъемной силы осколка соответственно;S 1 ,S 2 - площадь лобовой и боковой поверхности осколка, м 2 ;r 0 - плотность воздуха, кг/м 3 ;a - угол вылета осколка;x, y - координатные оси.
Решение этой системы уравнений приведено на рис. 3.7.
В приближенных расчетах для оценки дальности разлета осколков допускается использовать соотношение
где L m - максимальная дальность разлета осколков, м;V 0 - начальная скорость полета осколков,м/с;g = 9,81 м/с 2 - ускорение свободного падения.
Соотношение (3.46) получено для случая полета осколков в безвоздушном пространстве. При больших величинах V 0 оно дает завышение значения L m . Дальность L m , определенную таким образом, следует ограничить сверху величиной L *
L m £ L * = 238 3.47,
где Е - энергия рассматриваемого взрыва, Дж;Q v тр - теплота взрыва тротила (табл.2), Дж/кг.Значения L * получены при взрывах тротиловых зарядов в металлической оболочке (бомб, снарядов).
При взрыве емкости со сжатым горючим газом энергия взрыва Е, Дж, находится по соотношению
E = + MQ v п 3.48,
где M = awM 0 - масса газа, участвующего во взрыве, кг;Q v п - теплота взрыва горючего газа, Дж/кг;a, w - коэффициенты, определяемые согласно (3.32), (3.45);
Масса газа в емкости до взрыва M 0 = Vr 0 , где величины P 0 , P г, V имеют то же значение, что и в формуле (3.46), а величина r 0 - плотность газа при атмосферном давлении.
Как отмечалось в разделе 3.4, показатель адиабаты продуктов взрыва ГВС g » 1,25. Более точные значения показателя адиабаты некоторых газов, используемые для расчета последствий взрыва, приведены в табл.3.8.
Таблица 3.8
В рассматриваемом случае также имеет место соотношение Е »E ув + Е оск + Е т, где Е - энергия взрыва, Е ув = b 1 Е - энергия, расходуемая на формирование воздушной ударной волны, Е оск = b 2 Е - кинетическая энергия осколков, Е т = b 0 Е - энергия, идущая на тепловое излучение. Согласно данным здесь коэффициенты b 1 = 0,2, b 2 = 0,5, b 3 = 0,3.
Расчет давления во фронте воздушной ударной волны и дальности разлета осколков при известных значениях энергии взрыва Е и коэффициентов b 1 , b 2 , b 3 приводится по аналогии с рассмотренным случаем взрыва емкости с инертным газом.
Необходимо отметить различие событий, происходящих при разгерметизации сосудов, содержащих газ под давлением, и сосудов, содержащих сжиженные газы. Если в первом случае основным поражающим фактором являются осколки оболочки, то во втором - осколки могут не образоваться, так как при нарушении герметичности баллонов с сжиженными газами их внутреннее давление практически одновременно с разгерметизацией становится равным внешнему и далее вступают в действие процессы истечения сжиженного газа из разрушенного баллона в окружающую среду и его испарения. При этом в случае взрыва основными поражающими факторами являются ударная волна и тепловое излучение.
Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный технический университет
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ АДИАБАТЫ
ДЛЯ ВОЗДУХА
Методические указания к выполнению лабораторной работы
по курсам «Теплотехника», « Техническая термодинамика
И теплотехникадля студентов
специальностей 280201
дневной и заочной форм обучения
Одобрено
редакционно-издательским советом
Саратовс кого государственного
технического университета
Саратов 2006
Цель работы : ознакомление с методикой и экспериментальное определение показателя адиабаты для воздуха, изучение основных закономерностей для адиабатного, изохорного и изотермического процессов изменения состояния рабочих тел.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Адиабатными называются процессы изменения состояния рабочего тела (газа или пара), происходящие без подвода и отвода теплоты от него.
Необходимым и достаточным условием адиабатного процесса является аналитическое выражение dq =0, означающее, что в процессе совершенно отсутствует теплообмен, т. е. q =0. При dq =0 для обратимых процессов Tds =0, т. е. ds =0; это значит, что для обратимых адиабатных процессов s = const . Иными словами, обратимый адиабатный процесс является в то же время и з о э н т р о п н ы м.
Уравнение, связывающее между собой изменение основных термодинамических параметров в адиабатном процессе, т. е. уравнение адиабаты имеет вид:
font-size:14.0pt">где k - показатель адиабаты (изоэнтропы):
Font-size:14.0pt">Уравнение адиабаты можно получить в другом виде, используя связь между основными термодинамическими параметрами:
font-size:14.0pt">Аналогично получается зависимость:
font-size:14.0pt">Работа в адиабатном процессе может быть определена из уравнения первого закона термодинамики:
font-size:14.0pt">При
font-size:14.0pt">или
font-size:14.0pt">Заменяя
font-size:14.0pt">получим:
font-size:14.0pt">Заменяя в этом уравнении на и на , получим, Дж/кг:
font-size:14.0pt">Используя связь между термодинамическими параметрами, можно получить другое выражение для работы адиабатного процесса. Вынося в уравнении (4) за скобки, будем иметь:
font-size:14.0pt">но
font-size:14.0pt">тогда
font-size:14.0pt">Графическое отображение адиабатного процесса в p - v - и T - s -координатах показано на рис.1.
В p - v - координатах кривая адиабаты представляет собой показательную функцию , откуда , где а – постоянная величина.
В p - v - координатах адиабата всегда идет круче изотермы, поскольку EN-US style="font-size:16.0pt"">cp > cv . Процесс 1-2 соответствует расширению, процесс 1-2 ¢ - сжатию. Площадь площадки под кривой адиабаты в p , v - координатах численно равна работе адиабатного процесса (« L » на рис.1).
В T - s -координатах кривая адиабаты представляет собой вертикальную линию с . Площадка под кривой процесса вырождена, что соответствует нулевой теплоте адиабатного процесса.
Рис.1. Адиабатный процесс изменения состояния газа
в p -v - и T -s - диаграммах
К адиабатному процессу близки реальные процессы, происходящие с рабочими телами в тепловых машинах. Например, расширение газов и паров в турбинах и цилиндрах тепловых двигателей, сжатие газов и паров в компрессорах тепловых двигателей и холодильных машин.
Приближенно величину k можно оценить по атомности газа (или основных газов в смеси), пренебрегая зависимостью от температуры:
для одноатомных газов: font-size:14.0pt">для двухатомных газов: font-size:14.0pt">для трех - и многоатомных газов: .
При известном составе газа показатель адиабаты может быть вычислен точно по табличным значениям теплоемкостей в зависимости от температуры.
Показатель адиабаты также может быть определен из дифференциальных соотношений термодинамики. В отличие от теории идеального газа дифференциальные уравнения термодинамики дают возможность получить общие закономерности изменения параметров для реальных газов. Дифференциальные уравнения термодинамики получают путем частного дифференцирования объединенного уравнения первого и второго законов термодинамики:
font-size:14.0pt">сразу по нескольким параметрам состояния.
Аппарат дифференциальных уравнений термодинамики позволяет, в частности, установить ряд важнейших соотношений для теплоемкостей реальных газов.
Одним из них является соотношение вида:
font-size:14.0pt">Соотношение (7) устанавливает связь между теплоемкостями cp , cv и элементарным изменением параметров p и v в адиабатном процессе font-size:14.0pt">и изотермическом процессе
.Учитывая, что показатель адиабаты , уравнение (7) можно переписать в виде:
font-size:14.0pt">Последнее выражение можно использовать для экспериментального определения показателя адиабаты.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для определения истинного показателя адиабаты достаточно разреженных реальных газов с использованием уравнения (8) необходимы точные измерения термодинамических параметров р, v , T и их частных производных. Но если в уравнение (8) подставить малые конечные приращения, то при среднее значение показателя адиабаты будет равно:
https://pandia.ru/text/79/436/images/image034_1.gif" width="12" height="23 src=">font-size:14.0pt">При р2=рбар, то есть равном барометрическому давлению,
Font-size:14.0pt">где р u 1 , р u 3 – избыточное давление в состояниях 1, 3.
Очевидно, что с уменьшением избыточного давления р u 1 значение km будет приближаться к истинному для атмосферного воздуха.
Лабораторная установка (рис.2) имеет сосуд постоянного объема 1, краны 2, 3. Воздух нагнетается в сосуд компрессором 4. Давление воздуха в сосуде измеряется U -образным манометром 5. Сосуд не изотермический, поэтому воздух, который находится в нем, принимает равновесное температурное состояние с окружающей средой в результате теплообмена. Контроль температуры воздуха в сосуде осуществляется с помощью ртутного термометра 6 с ценой деления 0,01 ° С.
|
Рис.2. Схема лабораторной установки для определения показателя
адиабаты воздуха: 1 – сосуд; 2, 3 – краны; 4 – компрессор;
5 - U -образный манометр; 6 – термометр
На рис.3 показаны термодинамические процессы, происходящие в воздухе при проведении эксперимента: процесс 1-2 – адиабатное расширение воздуха при частичном его выпуске из сосуда; 2-3 – изохорный нагрев воздуха до температуры окружающей среды; 1-3 - эффективный (результирующий) процесс изотермического расширения воздуха.
|
|
|
|
|
|
|
При выполнении настоящей работы отсутствуют и не могут возникнуть опасные и вредные факторы. Однако подъем давления в сосуде компрессором с ручным приводом следует производить постепенно, вращая маховик компрессора. Это предотвратит возможность выбивания воды из манометра.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Ознакомиться со схемой установки и произвести ее осмотр для определения готовности ее к работе.
Определить по барометру и записать в протокол измерений атмосферное давление рбар, температуру
t и относительную влажность воздуха в лаборатории. Открыть кран 2 (рис.2) и при закрытом кране 3, вращая маховик компрессора 4, накачать воздух в сосуд 1. Как отмечалось выше, р u 1 должно быть возможно меньше. Поэтому, создав небольшое избыточное давление в сосуде, прекратить подачу воздуха, закрыть кран 2.Давление выдерживается в течение некоторого времени, необходимого для установления термического равновесия с окружающей средой, о чем должна свидетельствовать неизменность показаний манометра 5. Записать значение р
u 1. Затем открыть и при достижении атмосферного давления немедленно закрыть кран 3. Воздух, оставшийся в сосуде в результате адиабатного расширения и охлаждения при истечении, начнет нагреваться за счет изохорного подвода теплоты из окружающей среды. Этот процесс наблюдается по заметному увеличению давления в сосуде до р u 3. Опыт повторить 5 раз.Полученные результаты заносятся в протокол измерений по форме табл.1.
Таблица 1
t ,° С | рu 1, Па | рu 3, Па | |||
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
Задание :
1. Определить значения показателя адиабаты в каждом эксперименте по (8) и вероятное (среднее) значение показателя адиабаты воздуха:
font-size:14.0pt">где n – число экспериментов,
и сравнить полученное значение с табличным (табл.2):
Font-size:14.0pt">2. Выполнить исследование процессов адиабатного расширения, последующего изохорного нагрева воздуха и эффективного изотермического процесса, являющегося результатом первых двух реальных процессов.
Таблица 2
Физические свойства сухого воздуха при нормальных условиях
Температура t , ° C |
теплоемкость, кДж/(кмоль× К) | Массовая теплоемкость, кДж/(кг× К) | Объемная теплоемкость, кДж/(м3× К) | Показатель адиабаты k |
|||
m с pm | m с vm | с pm | с vm | с ¢ pm | с ¢ vm |
||
Для этого необходимо усреднить по числу экспериментов термодинамические параметры р, Т в характерных точках 1, 2, 3 (рис.3) и по ним вычислить калорические характеристики: теплоту, работу, изменение внутренней энергии, изменение энтальпии и энтропии в каждом из указанных термодинамических процессов. Сравнить калорические характеристики реального изотермического процесса (характеристики, вычисленные по расчетным соотношениям) и эффективного изотермического процесса (характеристики, являющиеся суммой соответствующих характеристик адиабатного и изохорного процессов).
Сделать выводы.
Указания :
Уравнение изохорного процесса имеет вид:
font-size:14.0pt">РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ВЕЛИЧИНЫ ПОКАЗАТЕЛЯ АДИАБАТЫ
1. Абсолютная и относительная погрешности опытного определения показателя адиабаты
k по (9), (10) и табличным данным определяются по формулам:font-size:14.0pt">где k табл – табличное значение показателя адиабаты.
2. Абсолютная погрешность определения показателя адиабаты по результатам измерения избыточных давлений р
u 1 и р u 3 (9) вычисляется по формуле:font-size:14.0pt">где D р u = D р u 1 = D р u 3 - абсолютная погрешность измерений избыточного давления по U -образному манометру, которая может быть принята равной 1 мм вод. ст.
Относительная погрешность, %, определения показателя адиабаты по результатам измерений:
font-size:14.0pt">ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Укажите отличие в понятиях адиабатного и изоэнтропного процессов.
2. Какую термодинамическую величину называют показателем адиабаты? Объясните физический смысл показателя адиабаты.
3. Расскажите об устройстве экспериментальной установки и методике проведения эксперимента.
4. Почему на адиабатный процесс кроме условия q =0, накладывается дополнительное условие dq =0?
5. Напишите уравнения адиабаты.
6. Получите выражение для работы адиабатного процесса.
7. Напишите и поясните выражение для изменения внутренней энергии во всех термодинамических процессах.
8. Напишите и поясните выражение для изменения энтальпии в общем виде.
9. Напишите выражение для изменения энтропии в общем виде. Получите упрощенные выражения для частных термодинамических процессов.
10. Чем характеризуется изохорный процесс, и каковы его уравнение, работа, теплота?
11. Чем характеризуется изотермический процесс, и каковы его уравнение, работа, теплота?
12. Что называется частным термодинамическим процессом изменения состояния газа? Перечислите их.
13. В чем заключается сущность теории дифференциальных уравнений термодинамики? Напишите объединенное уравнение первого и второго законов термодинамики.
14. Изобразите кривую адиабаты в p - v - и T - s -координатах. Почему в p - v - координатах адиабата всегда идет круче изотермы?
15. Что показывают площадки под кривыми термодинамических процессов в p - v - и T - s -координатах?
16. Изобразите кривую изохоры в
17. Изобразите кривую изотермы в p - v - и T - s -координатах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кириллин термодинамика. , . 3-е изд., перераб. и доп. М. Наука, 19с.
2. Нащокин термодинамика и теплопередача: учебное пособие для вузов. . 3-е изд., исправл. и доп. М. Высшая школа, 19с.
3. Гортышов и техника теплофизического эксперимента. , ; под ред. . М: Энергоатомиздат, 1985. С.35-51.
4. Теплотехника: учебник для вузов. под ред. . 2-е изд., перераб. М. Энергоатомиздат, 19с.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ АДИАБАТЫ ДЛЯ ВОЗДУХА
Методические указания к выполнению лабораторной работы
по курсам «Теплотехника», « Техническая термодинамика
И теплотехника», «Гидравлика и теплотехника»
Составили: СЕДЕЛКИН Валентин Михайлович
КУЛЕШОВ Олег Юрьевич
КАЗАНЦЕВА Ирина Леонидовна
Рецензент
Лицензия ИД № 000 от 14.11.01
Подписано в печать Формат 60´ 84 1/16
Бум. тип. Усл. печ. л. Уч.-изд. л.
Тираж экз. Заказ Бесплатно
Саратовский государственный технический университет
Саратов, Политехническая ул., 77
Отпечатано в РИЦ СГТУ. Саратов, Политехническая ул., 77
Показатель адиабаты (иногда называемый коэффициентом Пуассона ) - отношение теплоёмкости при постоянном давлении () к теплоёмкости при постоянном объёме (). Иногда его ещё называют фактором изоэнтропийного расширения . Обозначается греческой буквой (гамма) или (каппа). Буквенный символ в основном используется в химических инженерных дисциплинах. В теплотехнике используется латинская буква .
Уравнение:
, - теплоёмкость газа, - удельная теплоёмкость (отношение теплоёмкости к единице массы) газа, индексы и обозначают условие постоянства давления или постоянства объёма, соответственно.Для понимания этого соотношения можно рассмотреть следующий эксперимент:
Закрытый цилиндр с закреплённым неподвижно поршнем содержит воздух. Давление внутри равно давлению снаружи. Этот цилиндр нагревается до определённой, требуемой температуры. Пока поршень не может двигаться, объём воздуха в цилиндре остаётся неизменным, в то время как температура и давление возрастают. Когда требуемая температура будет достигнута, нагревание прекращается. В этот момент поршень «освобождается» и, благодаря этому, начинает двигаться наружу без теплообмена с окружающей средой (воздух расширяется адиабатически). Совершая работу , воздух внутри цилиндра охлаждается ниже достигнутой ранее температуры. Чтобы вернуть воздух к состоянию, когда его температура опять достигнет упомянутого выше требуемого значения (при всё ещё «освобождённом» поршне) воздух необходимо нагреть. Для этого нагревания извне необходимо подвести примерно на 40 % (для двухатомного газа - воздуха) большее количество теплоты, чем было подведено при предыдущем нагревании (с закреплённым поршнем). В этом примере количество теплоты, подведённое к цилиндру с закреплённом поршне, пропорционально , тогда как общее количество подведённой теплоты пропорционально . Таким образом, показатель адиабаты в этом примере равен 1.4.
Другой путь для понимания разницы между и состоит в том, что применяется тогда, когда работа совершается над системой, которую принуждают к изменению своего объёма (то есть путём движения поршня, который сжимает содержимое цилиндра), или если работа совершается системой с изменением её температуры (то есть нагреванием газа в цилиндре, что вынуждает поршень двигаться). применяется только если - а это выражение обозначает совершённую газом работу - равно нулю. Рассмотрим разницу между подведением тепла при закреплённом поршне и подведением тепла при освобождённом поршне. Во втором случае давление газа в цилиндре остаётся постоянным, и газ будет как расширяться, совершая работу над атмосферой, так и увеличивать свою внутреннюю энергию (с увеличением температуры); теплота, которая подводится извне, лишь частично идёт на изменение внутренней энергии газа, в то время как остальное тепло идёт на совершение газом работы.
Показатели адиабаты для различных газов | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Темп. | Газ | γ | Темп. | Газ | γ | Темп. | Газ | γ | ||
−181 °C | H 2 | 1.597 | 200 °C | Сухой воздух | 1.398 | 20 °C | NO | 1.400 | ||
−76 °C | 1.453 | 400 °C | 1.393 | 20 °C | N 2 O | 1.310 | ||||
20 °C | 1.410 | 1000 °C | 1.365 | −181 °C | N 2 | 1.470 | ||||
100 °C | 1.404 | 2000 °C | 1.088 | 15 °C | 1.404 | |||||
400 °C | 1.387 | 0°C | CO 2 | 1.310 | 20 °C | Cl 2 | 1.340 | |||
1000 °C | 1.358 | 20 °C | 1.300 | −115 °C | CH 4 | 1.410 | ||||
2000 °C | 1.318 | 100 °C | 1.281 | −74 °C | 1.350 | |||||
20 °C | He | 1.660 | 400 °C | 1.235 | 20 °C | 1.320 | ||||
20 °C | H 2 O | 1.330 | 1000 °C | 1.195 | 15 °C | NH 3 | 1.310 | |||
100 °C | 1.324 | 20 °C | CO | 1.400 | 19 °C | Ne | 1.640 | |||
200 °C | 1.310 | −181 °C | O 2 | 1.450 | 19 °C | Xe | 1.660 | |||
−180 °C | Ar | 1.760 | −76 °C | 1.415 | 19 °C | Kr | 1.680 | |||
20 °C | 1.670 | 20 °C | 1.400 | 15 °C | SO 2 | 1.290 | ||||
0°C | Сухой воздух | 1.403 | 100 °C | 1.399 | 360 °C | Hg | 1.670 | |||
20 °C | 1.400 | 200 °C | 1.397 | 15 °C | C 2 H 6 | 1.220 | ||||
100 °C | 1.401 | 400 °C | 1.394 | 16 °C | C 3 H 8 | 1.130 |
Соотношения для идеального газа
Для идеального газа теплоёмкость не зависит от температуры. Соответственно, можно выразить энтальпию как и внутренняя энергия может быть представлена как . Таким образом, можно также сказать, что показатель адиабаты - это отношение энтальпии к внутренней энергии:
С другой стороны, теплоёмкости могут быть выражены также через показатель адиабаты () и универсальную газовую постоянную ():
Может оказаться достаточно трудным найти информацию о табличных значениях , в то время как табличные значения приводятся чаще. В этом случае можно использовать следующую формулу для определения :
где - количество вещества в молях.
Соотношения с использованием количества степеней свободы
Показатель адиабаты () для идеального газа может быть выражен через количество степеней свободы () молекул газа:
илиТермодинамические выражения
Значения, полученные с помощью приближённых соотношений (в частности, ), во многих случаях являются недостаточно точными для практических инженерных расчётов, таких, как расчёты расходов через трубопроводы и клапаны. Предпочтительнее использовать экспериментальные значения, чем те, которые получены с помощью приближённых формул. Строгие значения соотношения может быть вычислено путём определения из свойств, выраженных как:
Значения не составляет труда измерить, в то время как значения для необходимо определять из формул, подобных этой. См. здесь (англ. ) для получения более подробной информации о соотношениях между теплоёмкостями.
Адиабатический процесс
где - это давление и - объём газа.
Экспериментальное определение величины показателя адиабаты
Поскольку процессы, происходящие в небольших объёмах газа при прохождении звуковой волны, близки к адиабатическим , показатель адиабаты можно определить, измерив скорость звука в газе. В этом случае показатель адиабаты и скорость звука в газе будут связаны следующим выражением:
где - показатель адиабаты; - постоянная Больцмана ; - универсальная газовая постоянная ; - абсолютная температура в кельвинах ; - молекулярная масса ; - молярная масса .
Другим способом экспериментального определения величины показателя адиабаты является метод Клемана - Дезорма, который часто используется в учебных целях при выполнении лабораторных работ. Метод основан на изучении параметров некоторой массы газа, переходящей из одного состояния в другое двумя последовательными процессами: адиабатическим и изохорическим.
Лабораторная установка включает стеклянный баллон, соединенный с манометром, краном и резиновой грушей. Груша служит для нагнетания воздуха в баллон. Специальный зажим предотвращает утечку воздуха из баллона. Манометр измеряет разность давлений внутри и вне баллона. Кран может выпускать воздух из баллона в атмосферу.
Пусть первоначально в баллоне было атмосферное давление и комнатная температура. Процесс выполнения работы можно условно разбить на два этапа, каждый из которых включает в себя адиабатный и изохорный процесс.
1-й этап:
При закрытом кране накачиваем в баллон небольшое количество воздуха и зажимаем шланг зажимом. При этом давление и температура в баллоне повысятся. Это адиабатный процесс. Со временем давление в баллоне начнет уменьшаться вследствие того, что газ в баллоне начнёт охлаждаться за счет теплообмена через стенки баллона. При этом давление будет уменьшаться при построянном объёме. Это изохорный процесс. Выждав, когда температура воздуха внутри баллона сравняется с температурой окружающего воздуха, запишем показания манометра .
2-ой этап:
Теперь откроем кран 3 на 1-2 секунды. Воздух в баллоне будет адиабатно расширяться до атмосферного давления. При этом температура в баллоне понизится. Затем кран закроем. Со временем давление в баллоне начнет увеличиваться вследствие того, что газ в баллоне начнет нагреваться за счет теплообмена через стенки баллона. При этом снова будет увеличиваться давление при постоянном объёме. Это изохорный процесс. Выждав, когда температура воздуха внутри баллона сравнится с температурой окружающего воздуха, запишем показание манометра . Для каждой ветви 2-х этапов можно написать соответствующие уравнения адиабаты и изохоры. Получится система уравнений, которые включают в себя показатель адиабаты. Их приближённое решение приводит к следующей расчетной формуле для искомой величины.