Контрольная работа на тему Контрольная работа по дисциплине: «Техническая термодинамика и теплопередача» (Вариант 6)

Содержание:

6. Адиабатный процесс 3
15. Общие сведения о котельных установках 7
24. Поршневые двигатели внутреннего сгорания 12
Список использованных источников 18

Фрагмент текста работы:

6. Адиабатный процесс
Адиабатный процесс (в некоторых источниках упоминается как адиабатический) — это термодинамический процесс, который происходит при отсутствии теплообмена с окружающей средой. Есть несколько факторов, которые характеризуют этот класс. Например, адиабатный процесс происходит динамично и укладывается в короткий срок времени. Происходят процессы данного класса, как правило, мгновенно [2].
Уравнение первого закона термодинамики: определяет, что в результате адиабатического процесса расширения совершается работа, а температура и внутренняя энергия идеального газа уменьшается. Следовательно, количество теплоты поглощенной системой, увеличивает ее внутреннюю энергию, совершающую работу над внешними объектами. Энергия, согласно первому закону термодинамики, не создается и не исчезает, она передается и превращается из одной формы в другую. При адиабатном процессе сжатия увеличивается энергетический потенциал и повышается температура. Следовательно, изменения состояния системы в адиабатическом процессе одинаковы по значению и противоположны по знаку. Экспериментальное подтверждение этого термодинамического явления осуществляется двумя способами:
Адиабатный процесс производится с большой скоростью, исключающей теплообмен с окружающей средой.
Осуществляется полная теплоизоляция системы от влияния внешней среды.
Адиабатический процесс может быть реализован в газе либо путём его термоизоляции, либо за счёт быстрого протекания процесса, когда процесс теплопередачи не успевает произойти. Первый способ применялся в опытах Джоуля, описанных выше, где было принципиально необходимо достижение газом состояния, близкого к равновесному. Поэтому каждый из опытов требовал продолжительного времени (около часа) и возникала необходимость введения поправок на тепловые потери.
Примером быстропротекающего процесса является распространение звука в воздухе. Несмотря на то, что такой процесс нельзя считать равновесным, опыт показывает, что для его описания возможно применение уравнения Пуассона, полученного в рамках равновесной термодинамики [5].
В обоих случаях эксперимент описывается уравнением: . Если адиабатный процесс отобразить графически на координатной плоскости, то получим кривую, называемую адиабатой. Она выглядит более крутой, чем постоянная изотерма, вследствие одновременного увеличения объема с уменьшением температуры.
Вывод, полученный экспериментально, теоретически подтвержден формулой: , т. к. вследствие увеличения объема идеального газа уменьшается концентрация молекул исследуемого вещества. Значит, на уменьшение давления оказывают влияние два фактора – температура газа Т, концентрация молекул n.
Между первым законом термодинамики и адиабатным процессом прослеживается четкая связь. Первый закон термодинамики гласит – изменение внутренней энергии системы, связанной с развитием термодинамического процесса пропорционально работе, совершаемой данным элементов и изменением количества тепла идеального газа.
Стандартная формула первого начала термодинамики: . Если видоизменить это выражение, применительно к происходящему адиабатному процессу, протекающему только в условиях полного отсутствия теплообмена с внешней средой, то оно примет несколько иной вид.
Полученная новая формула, примет следующий вид: . Рассмотрим подробнее это видоизменение.
Адиабатический процесс происходит в условиях отсутствия теплообмена между системой и внешней средой, следовательно, изменение количества тепловой энергии в уравнении первого термодинамического закона dQ = 0. Переносим одно из слагаемых из правой части формулы в левую часть, и получаем уравнение, описывающее адиабатический процесс: .
Уравнения состояний системы для адиабатического процесса [1]:
PVλ=const — уравнение Пуассона
TVλ-1=const, TλPλ-1=const.
Диаграмма адиабатического процесса (адиабата) в координатах (p,V) изображается более крутой гиперболой, чем изотерма. Это объясняется тем, что при адиабатическом сжатии увеличение давления газа обусловлено не только уменьшением его объема, как при изотермическом сжатии, но и повышением температуры. Первое начало термодинамики для адиабатического процесса (внешняя работа совершается за счет изменения внутренней энергии системы):

Это связано с тем, что, как указывалось выше, 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 [1].
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.
A=-ΔU, или PΔV=-mCvΔT/M.
Вскоре после того, как был открыт адиабатический процесс, стартовало огромное количество различных исследований. Так, была создана первая теоретическая модель, имеющая отношение к циклу Карно. Именно она позволила установить условные пределы, ограничивавшие развитие тепловых машин. Но в случае некоторых реальных процессов осуществлять цикл Карно достаточно трудно. Все дело в том, что в его состав входят изотермы. А они, в свою очередь, требуют задания определенной скорости термодинамических процессов [2].
С целью обойти подобные проблемы был придуман цикл Отто, а также цикл сжижения газа. Они стали широко применяться при решении конкретных задач на практике. Стартовавшие исследования показали возможность описания некоторых природных процессов в адиабатическом плане, что позволило выявлять общие закономерности соответствующих процессов. Примером адиабатического процесса можно смело назвать химическую реакцию, которая происходит внутри некоторого объема газа, если система является замкнутой, а обмен с внешней средой теплом отсутствует.