Wat is een adiabatisch proces?

Om een thermische machine te bouwen die dat kanOm het werk te doen als gevolg van het gebruik van warmte, is het noodzakelijk om bepaalde voorwaarden te creëren. Allereerst moet de warmtemotor in een cyclische modus werken, waarbij een reeks opeenvolgende thermodynamische processen een cyclus creëren. Als een resultaat van de cyclus voert het gas, ingesloten in een cilinder met een beweegbare zuiger, zijn werk uit. Maar één cyclus voor een periodiek werkende machine is klein, hij moet een aantal keer een cyclus uitvoeren. Het totale werk dat in de werkelijkheid in een bepaalde tijd wordt gedaan, gedeeld door de tijd, geeft een belangrijker concept - kracht.

In het midden van de XIX eeuw, de eerste thermischemachine. Ze produceerden werk, maar gaven een grote hoeveelheid warmte af, verkregen door het verbranden van brandstof. Het was toen dat theoretische natuurkundigen vragen stelden: "Hoe werkt het gas in een hittemotor? Hoe haal je het meeste uit je werk met een minimum aan brandstof? "

Voor het uitvoeren van gasanalyse was dit vereistintroduceer een heel systeem van definities en concepten. Het geheel van alle definities en creëerde een hele wetenschappelijke richting, kreeg de naam: "Technische thermodynamica". In de thermodynamica zijn een aantal aannames aangenomen, die helemaal geen afbreuk doen aan de belangrijkste conclusies. Het werklichaam is een vluchtig gas (niet bestaand in de natuur), dat kan worden samengeperst tot een volume nul, waarvan de moleculen geen interactie met elkaar hebben. In de omringende natuur bestaan alleen echte gassen, die vrij duidelijke eigenschappen hebben, die te onderscheiden zijn van een ideaal gas.

Om modellen van de dynamiek van de werkvloeistof te beschouwen, werden de wetten van de thermodynamica voorgesteld die de basale thermodynamische processen beschrijven, zoals:

Het isochore proces is een proces dat wordt uitgevoerd zonder het volume van de werkvloeistof te veranderen. De toestand van het isochore proces, v = const;
Het isobarproces is een proces dat wordt uitgevoerd zonder de druk in het werklichaam te veranderen. De toestand van het isobarische proces, P = const;
Isotherm (isotherm) proces is een proces dat wordt uitgevoerd terwijl de temperatuur op een bepaald niveau wordt gehouden. De toestand van het isothermische proces, T = const;
Het adiabatische proces (adiabatisch, zoals het moderne warmtetechniek wordt genoemd) is een proces uitgevoerd in de ruimte zonder de uitwisseling van warmte met de omgeving. De toestand van het adiabatische proces, q = 0;
het polytrope proces is het meest gegeneraliseerde proces dat alle hierboven genoemde thermodynamische processen beschrijft, evenals alle andere processen die kunnen worden uitgevoerd in een cilinder met een beweegbare zuiger.

Tijdens het maken van de eerste hittemotoreneen cyclus waarin het mogelijk is om de hoogste efficiëntie (efficiëntiecoëfficiënt) te verkrijgen. Sadie Carnot, die de totaliteit van thermodynamische processen verkende, kwam in zijn inspiratie tot de ontwikkeling van zijn cyclus, die zijn naam ontving - de Carnot-cyclus. Het voert consequent het isothermische, dan adiabatische compressieproces uit. Het werklichaam heeft, na het uitvoeren van deze processen, een reserve aan interne energie, maar de cyclus is nog niet voltooid, dus het werkende lichaam wordt groter en voert een isothermisch expansieproces uit. Om de cyclus te voltooien en terug te keren naar de oorspronkelijke parameters van het werklichaam, wordt het adiabatische expansieproces uitgevoerd.

Carnot bewees dat de efficiëntie in zijn cyclus bereiktmaximum en hangt alleen af van de temperaturen van de twee isothermen. Hoe hoger het verschil tussen beide, des te hoger de thermische efficiëntie. Pogingen om een thermische machine te maken in de Carnot-cyclus zijn niet met succes bekroond. Dit is een ideale cyclus die niet kan worden uitgevoerd. Maar hij bewees het hoofdprincipe van de tweede wet van de thermodynamica over de onmogelijkheid om een baan te krijgen die gelijk is aan de kosten van thermische energie. Een aantal definities werden geformuleerd voor de tweede wet van de thermodynamica, op basis waarvan Rudolph Clausius het concept van entropie introduceerde. De belangrijkste conclusie van zijn onderzoek is dat de entropie voortdurend toeneemt, wat leidt tot een thermische "dood".

De belangrijkste prestatie van Clausius wasAls we de essentie van het adiabatische proces begrijpen, verandert de entropie van de werkvloeistof niet wanneer deze wordt uitgevoerd. Daarom is het adiabatische proces van Clausius s = const. Hier is entropie, dat nog een naam geeft aan een proces uitgevoerd zonder toevoer of verwijdering van warmte, een isentroop proces. De wetenschapper was bezig met het zoeken naar een dergelijke cyclus van een thermische machine, waar geen toename van entropie zou optreden. Maar helaas kon hij zoiets niet creëren. Daarom concludeerde hij dat een thermische machine helemaal niet kan worden gemaakt.

Maar niet alle onderzoekers warenpessimistisch. Ze waren op zoek naar echte cycli voor thermische machines. Als gevolg van hun zoekopdrachten Nikolaus augustus Otto creëerde zijn cyclus warmte-motor, die nu in motoren die op benzine wordt uitgevoerd. Hier is de werkwijze uitgevoerd door adiabatische compressie van het werkende lichaam en isochoor warmtelevering (brandstofverbranding bij constant volume), dan zijn er adiabatische expansie (werk wordt gedaan door het werkmedium in het proces van het volume toeneemt) en isochore warmteafvoer. De eerste verbrandingsmotoren in de Otto-cyclus gebruikten brandbare gassen als brandstof. Later werd uitgevonden dat carburateurs geworden benzovozdushnoy een mengsel van lucht en benzinedampen te voeren aan de motorcilinder maken.

De Otto-cyclus comprimeert het brandbare mengsel, dusde compressiewaarde is relatief klein - het brandbare mengsel heeft de neiging te detoneren (exploderen wanneer kritieke drukken en temperaturen worden bereikt). Daarom is het werk onder het adiabatische compressieproces relatief klein. Hier wordt nog een concept geïntroduceerd: de mate van compressie is de verhouding tussen het totale volume en het compressievolume.

Zoeken naar manieren om de efficiëntie te vergrotenhet gebruik van brandstofenergie werd voortgezet. De toename in efficiëntie werd gezien in een toename van de mate van compressie. Rudolf Diesel ontwikkelde zijn cyclus, waarbij de toevoer van warmte wordt uitgevoerd onder constante druk (in het isobarproces). Zijn cyclus vormde de basis voor motoren met dieselbrandstof (het wordt ook wel zonne-olie genoemd). In de dieselcyclus wordt niet het brandbare mengsel maar de lucht gecomprimeerd. Daarom zeggen ze dat er werk wordt gedaan in het adiabatische proces. De temperatuur en druk aan het eind van de compressie zijn hoog, dus de injectoren worden door de sproeiers geïnjecteerd. Het vermengt zich met hete lucht, vormt een brandbaar mengsel. Het brandt af, terwijl de interne energie van de werkvloeistof toeneemt. Verder verloopt de expansie van het gas langs de adiabat, de arbeidsslag wordt gemaakt.

Een poging om de dieselkringloop thermisch te realiserenmachines faalden, dus creëerde Gustav Trinkler de gecombineerde cyclus van Trinkler. Het wordt gebruikt in de hedendaagse dieselmotoren. In de Trinkler-cyclus wordt warmte geleverd door de isochore en vervolgens door de isobar. Pas daarna wordt de adiabatische uitzetting van het werkmedium uitgevoerd.

Naar analogie van heen en weer bewegende thermische machineswerk en turbine. Maar in hen wordt het proces van warmteverwijdering na de voltooiing van een nuttige adiabatische expansie van het gas uitgevoerd door de isobar. In vliegtuigen met gasturbine- en turbopropmotoren vindt het adiabatische proces tweemaal plaats: tijdens compressie en expansie.

Om alle basisbegrippen te rechtvaardigenadiabatisch proces, werden de berekeningsformules voorgesteld. Hier verschijnt een belangrijke hoeveelheid, die de adiabatische exponent wordt genoemd. De waarde ervan voor een diatomisch gas (zuurstof en stikstof zijn de basische diatomische gassen die in de lucht beschikbaar zijn) is 1,4. Om de adiabatische index te berekenen, worden nog twee interessante kenmerken gebruikt, namelijk: isobare en isochore warmtecapaciteiten van het werkmedium. Hun verhouding k = Cp / Cv - is de adiabatische exponent.

Waarom in de theoretische cycli van thermische machineseen adiabatisch proces wordt gebruikt? In feite worden polytrope processen uitgevoerd, maar vanwege het feit dat ze met hoge snelheid optreden, wordt algemeen aangenomen dat er geen warmte-uitwisseling met de omgeving is.

90% van de elektriciteit wordt opgewekt door warmtekrachtcentrales. Ze gebruiken waterdamp als werkvloeistof. Het wordt verkregen door kokend water. Om de werkcapaciteit van stoom te vergroten, is deze oververhit. Vervolgens wordt bij hoge druk oververhitte stoom aan een stoomturbine toegevoerd. Ook hier vindt een adiabatisch proces van dampuitbreiding plaats. De turbine ontvangt rotatie, deze wordt doorgegeven aan een elektrische generator. Deze laatste genereert op zijn beurt elektriciteit voor consumenten. Stoomturbines werken op de Rankine-cyclus. Idealiter gaat een toename in efficiëntie ook gepaard met een toename van de temperatuur en druk van waterdamp.

Zoals uit het voorgaande blijkt, is het adiabatische proces heel gebruikelijk bij de productie van mechanische en elektrische energieën.