Przemiany termodynamiczne
Przemiana adiabatyczna
Przemiana adiabatyczna (Proces adiabatyczny)- proces termodynamiczny, podczas którego wyizolowany układ nie nawiązuje wymiany ciepła, lecz całość energii jest dostarczana lub odbierana z niego jako praca. Przemianę tę można zrealizować dzięki użyciu osłon adiabatycznych, lub wówczas, gdy proces zachodzi na tyle szybko, że przepływ ciepła nie zdąży nastąpić.
Adiabatą nazywa się krzywą przedstawiająca na wykresie przemianę adiabatyczną w szczególności zależność ciśnienia gazu od jego objętości przy sprężaniu lub rozprężaniu adiabatycznym.
Przemiana adiabatyczna gazu doskonałego
Przemiana adiabatyczna jest przemianą, w której zmieniają się parametry stanu gazu, m.in. ciśnienie, objętość właściwa, temperatura, energia wewnętrzna, entalpia. Ponieważ nie ma wymiany ciepła z otoczeniem, więc podczas sprężania rośnie temperatura gazu, a podczas rozprężania temperatura maleje. Podobnie jak w przypadku sprężania izotermicznego - maleje objętość a rośnie ciśnienie, jednak w sprężaniu adiabatycznym trzeba dodatkowo uwzględnić wzrost ciśnienia gazu (spowodowany wzrostem temperatury).
Przebieg przemiany adiabatycznej określa się prawem Poissona:
gdzie:
p - ciśnienie
V - objętość
wykładnik adiabaty, równy stosunkowi ciepła właściwego przy stałej objętości i przy stałym ciśnieniu. Współczynniki α zależą od liczby stopni swobody cząsteczek gazu i przyjmują wartości: 3/2 - dla gazów jednoatomowych, 5/2 - dla gazów dwuatomowych i 3 dla gazów wieloatomowych. Powietrze zawiera głównie gazy dwuatomowe, dlatego współczynnik α = 5/2, a κ = 7/5.
Przemiana adiabatyczna przebiega zwykle od stanu początkowego (1) do końcowego (2). Równanie Poissona można dla takiego przypadku zapisać następująco:
Wstawiając równania Clapeyrona i odpowiednio przekształcając można uzyskać inne postacie równania Poissona, wiążące ze sobą temperaturę i objętość oraz temperaturę i ciśnienie czynnika:
Krzywe obrazujące procesy adiabatyczne zwane są adiabatami. Proces adiabatyczny jest szczególnym przypadkiem procesu politropowego.
Przemiana izobaryczna
Przemiana izobaryczna to proces termodynamiczny, podczas którego ciśnienie układu nie ulega zmianie. Natomiast pozostałe parametry termodynamiczne czynnika mogą zmieniać się. Procesy izobaryczne mogą zachodzić zarówno w sposób odwracalny, jak i nieodwracalny. Odwracalny proces izobaryczny przedstawia na wykresie krzywa zwana izobarą. Praca wykonana przez układ (lub nad układem) w odwracalnym procesie izobarycznym jest równa ubytkowi (lub przyrostowi) entalpii układu. W szczególności, gdy jedyny wkład do pracy stanowi praca objętościowa (polegająca na zmianie objętości układu), jest ona wyrażona wzorem:
W - praca
p - ciśnienie
ΔV - zmiana objętości
Dla gazu doskonałego przemiana izobaryczna spełnia
objętość
T - temperatura
Przemiana izobaryczna często pojawia się w teorii maszyn cieplnych oraz urządzeń energetycznych. Jest jedną z przemian tworzących obiegi porównawcze siłowni parowej (obieg Clausiusa-Rankine'a), turbiny gazowej (obieg Braytona-Joule'a), chłodziarki gazowej (obieg Joule'a) i parowej (obieg Lindego), silnika wysokoprężnego (obieg Seiligera-Sabathé).
Przemiana izobaryczna jest przemianą porównawczą przedstawiającą proces wytwarzania i przegrzewania pary wodnej w kotłach parowych oraz jej skraplania w skraplaczach współczesnych elektrowni parowych. W urządzeniach tych ma miejsce konwersja energii o mocy na poziomie kilkudziesięciu tysięcy megawatów (tylko w Polsce), co świadczy o wysokim znaczeniu przemiany izobarycznej w technice współczesnego świata.
Na poniższych rysunkach przedstawione są przemiany izobaryczne wody i pary wodnej w układzie h-s (entalpia właściwa - entropia właściwa) i T-s (temperatura - entropia właściwa) na tle linii nasycenia i stałego stopnia suchości pary.
Przemiana izochoryczna
Przemiana izochoryczna - proces termodynamiczny zachodzący przy stałej objętości (V = const). Oprócz objętości wszystkie pozostałe parametry termodynamiczne mogą zmieniać się.
W przemianach izochorycznej gazu doskonałego (prawo Charlesa):
gdzie:
p - ciśnienie
T - temperatura
Podczas przemiany izochorycznej nie jest wykonywana praca, układ może wymieniać energię z otoczeniem tylko w wyniku cieplnego przepływu energii. Z pierwszej zasady termodynamiki wynika, że całe ciepło doprowadzone lub odprowadzone z gazu w procesie izochorycznym jest zużywane na powiększenie lub pomniejszenie jego energii wewnętrznej: δQ = dU.
Przekształcając wzór na ciepło właściwe otrzymujemy:
gdzie m jest masą gazu.
W przypadku gazu doskonałego wzór ten jest słuszny dla dowolnego procesu, natomiast dla gazu rzeczywistego wzór ten jest słuszny tylko w zakresie niewielkich zmian temperatur. Przy większych zmianach ciepło właściwe cV gazu rzeczywistego nie może być traktowane jako stała.
Zmianę energii wewnętrznej można obliczyć w następujący sposób:
gdzie:
cV - ciepło właściwe w procesie izochorycznym
Proces izochoryczny można praktycznie zrealizować podczas ogrzewania lub oziębiania gazu w grubościennym zbiorniku o stałej objętości.
Wykres p(V) przemiany izochorycznej.
1-2 izochoryczne ogrzewanie
1-3 izochoryczne oziębianie
Przemiana izotermiczna
Przemiana izotermiczna - w termodynamice przemiana, zachodząca przy określonej, stałej temperaturze.
Dla gazu doskonałego, energia wewnętrzna jest funkcją temperatury dlatego zachodzi zależność:
Co wyrażane jest też prawidłowością:
gdzie Pi i Vi jest ciśnieniem i objętością początkową, Pf i Vf ciśnieniem i objętością końcową, a zmienne P i V opisujące zachowanie się gazu podczas przemiany izotermicznej.
Krzywa opisująca przemianę izotermiczną nazywana jest izotermą i jest ona hiperbolą na wykresie P-V (ciśnienie-objętość) (T = constant).
Z pierwszej zasady termodynamiki wynika, że całe ciepło doprowadzone do gazu w procesie izotermicznym jest zużywane na wykonanie pracy przeciwko siłom zewnętrznym.
gdzie:
W praca wykonana przez gaz
Q ciepło doprowadzone
Dla bardzo małej zmiany objętości praca dW może być zapisana wzorem:
dW = Fdx = PSdx = PdV
Przemiana politropowa
Przemiana politropowa – proces termodynamiczny w gazie, czyniący zadość równaniu politropy, tzn. taki, podczas którego jest spełniony następujący związek:
pVn = const
gdzie:
p – ciśnienie
V – objętość
n – wykładnik (współczynnik) politropy, stały dla danego procesu politropowego, ale przyjmujący dla różnych procesów politropowych różne wartości, od minus do plus nieskończoności
Wykładnik politropy jest równy:
Gdzie:
Cp – pojemność cieplna określona w warunkach stałego ciśnienia
Cv – pojemność cieplna określona w warunkach stałej objętości
C – pojemność cieplna w danej przemianie
Szczególnymi przypadkami procesu politropowego są odwracalne procesy:
izobaryczny (n = 0, C – Cp = 0)
izotermiczny (n = 1, Cp = 0, Cv = 0)
adiabatyczny (n = cp / cv), gdzie cp i cv to ciepła właściwe przy stałym ciśnieniu i stałej objętości.
W technice największe zastosowanie znalazły przemiany adiabatyczne i izobaryczne, których to odpowiednie zestawienie tworzy obieg porównawczy wielu silników i siłowni cieplnych oraz cieplnych maszyn roboczych.
Przemiana izentropowa
Przemiana izentropowa – procesem termodynamicznym zachodzącym przy stałej entropii właściwej. Odgrywa ona w technice stosunkowo dużą rolę, ponieważ może być jednocześnie adiabatą odwracalną (beztarciową, idealną). Izentropa może być także przemianą rzeczywistą, w której od czynnika odbierane jest ciepło równe ciepłu wewnętrznemu przemiany (ciepłu powstającemu wewnątrz czynnika w wyniku tarcia wewnętrznego). W rzeczywistości przemiana izentropowa jest praktycznie niespotykana, jednak w teorii maszyn cieplnych odgrywa istotną rolę. Jako adiabata odwracalna przewija się szczególnie w teorii sprężarek przepływowych i turbin cieplnych.
Źródło: wikipedia.pl
