Термодинамические процессы в идеальных газах

В соответствии с уравнением состояния, изменение какого-либо термодинамического параметра системы приводит к изменению термодинамического состояния всего тела. Переход тела из одного термодинамического состояния в другое называетсятермодинамическим процессом.

Термодинамические процессы, происходящие в системе с постоянной массой при каком-либо постоянном параметре называются изопроцессами.

Различают следующие изопроцессы:

· изохорный ( ) – протекающий при постоянном объеме;

Для изохорного процесса справедливо равенство вида:

т.е. давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре;

· изобарный ( ) – протекающий при постоянном давлении;

Для изобарного процесса справедливо равенство вида:

т.е. при изобарном процессе объем газа пропорционален его абсолютной температуре;

· изотермический ( ) – протекающий при постоянной температуре; Для изотермического процесса справедливо равенство вида:

т.е. давление и объем обратно пропорциональны друг другу, так что при изотермическом сжатии давление газа возрастает, а при расширении – уменьшается;

· адиабатный( ) – процесс, протекающий без теплообмена с внешней средой (без изменения энтропии тела). Часто этот процесс называют изоэнтропным. Чтобы осуществить такой процесс, необходимо теплоизолировать тело от окружающей среды, т.е. поместить его в «адиабатную оболочку», либо провести этот процесс настолько быстро, чтобы изменение температуры газа, обусловленное теплообменом с окружающей средой, было пренебрежимо мало по сравнению с изменением температуры, вызванным расширением или сжатием газа.

 

В большинстве случаев для адиабатных процессов можно пользоваться соотношением:

 

где: – показатель адиабаты для идеального газа.

Кроме того для адиабатного процесса идеальных газов справедливы соотношения:

Рис. 7. Изображение основных изопроцессов в координатах и .

 

Изображение любых термодинамических процессов на диаграммах выглядит как линия, соединяющая начальную и конечную точки, характеризующие начальное и конечное термодинамические состояния вещества. Изображение изопроцессов для идеального газа в и координатах показано на рис. 7:

 

Процессы, находящиеся правее изохоры ( ), характеризуются положительной работой, так как сопровождаются расширением рабочего тела. Для процессов, расположенных левее изохоры, характерна отрицательная работа.

 

Процессы, расположенные правее и выше адиабаты ( ), идут с подводом теплоты к рабочему телу; процессы, лежащие левее и ниже адиабаты, протекают с отводом теплоты.

 

Для процессов, расположенных над изотермой ( ), характерно увеличение внутренней энергии газа; процессы, расположенные под изотермой, сопровождаются уменьшением внутренней энергии.

 

Процессы, расположенные между адиабатой и изотермой, имеют отрицательную теплоемкость, поэтому на производство работы тратится не только подводимая теплота, но и часть внутренней энергии рабочего тела.

 

Все рассмотренные изопроцессы являются частными случаями огромного семейства политропных процессов, описываемых для идеального газа соотношениями:

где:

– показатель политропы – величина постоянная для данного процесса.

Политропные процессы, в зависимости от значения показателя политропы – , принимают следующий вид:

при – процесс становится изобарным;

при – процесс становится изотермическим;

при – процесс становится изохорным;

при – процесс становится адиабатным.