Какво представлява адиабатичният процес?

За да се изгради термична машина, която може да работи с топлина, е необходимо да се създадат определени условия. На първо място, термична машина поради работа в цикличен режим, където редица последователни термодинамични процеси създават цикъл. В резултат на цикъла, газът, затворен в цилиндър с подвижно бутало, изпълнява своята работа. Но един цикъл за периодично работеща машина е малък, той трябва да изпълнява цикли отново и отново за известно време. Общата работа, извършена за дадено време в действителност, разделена на времето, дава още една важна концепция - власт.

В средата на XIX век са създадени първите термични машини. Те произведоха работа, но прекараха голямо количество топлина, получено от изгарянето на гориво. Тогава теоретичните физици зададоха въпроси: "Как работи газът в топлинна машина? Как да се възползвате максимално от работата с минимално количество гориво? "

За да направите анализ работа с газ, Беше необходимо да се въведе цялостна система от определения и понятия. Целият набор от дефиниции и създаде цялостно научно направление получиха името "Техническа термодинамика". В термодинамиката бяха приети редица предположения, които изобщо не отклоняват основните изводи. Работното тяло е ефимерен газ (който не съществува в природата), който може да бъде компресиран до нулев обем, молекулите на които не взаимодействат един с друг. В околните природа има само реални газове, които имат добре дефинирани свойства, различаващи се от идеален газ.

За да се разгледат моделите на динамиката на работната течност, бяха предложени законите на термодинамиката, които описват основните термодинамични процеси, като например:

• Изохорният процес е процес, който се извършва без промяна на обема на работната течност. Състоянието на изохоричния процес, v = const;
• Процесът на изображението е процес, който се извършва без да се променя налягането в работното тяло. Състоянието на изобарния процес, P = const;
• Изотермичният (изотермичен) процес е процес, който се изпълнява при запазване на температурата на дадено ниво. Състоянието на изотермичния процес, T = const;
• Адиабатичният процес (адиабатичен, тъй като той се нарича модерна топлотехника) е процес, извършван в пространството без обмяната на топлина с околната среда. Състоянието на адиабатичния процес, q = 0;
• политропно процес - е обобщен процес, който описва всички термодинамични процеси споменати по-горе, както и на всички други възможности за реализация в цилиндър с подвижно бутало.

По време на създаването на първите термични машини се търси цикъл, при който може да се получи най-висока ефективност (ефективност). Сади Карно, изследвайки съвкупността от термодинамични процеси, в неговото вдъхновение дойде развитието на неговия цикъл, който получи името му - цикъла Carnot. Той последователно изпълнява изотермичния, а след това адиабатичния процес на компресия. Работният орган, след извършването на тези процеси, има резерв от вътрешна енергия, но цикълът все още не е завършен, така че работното тяло се разширява и изпълнява изотермичен процес на разширяване. За да завърши цикъла и да се върне към първоначалните параметри на работното тяло, се извършва процесът на адиабатично разширение.

Карно доказва, че ефективността в цикъла му достига максимум и зависи само от температурата на двете изотерми. Колкото по-голяма е разликата между тях, толкова по-висока е топлинната ефективност, съответно. Опитите за създаване на термична машина в цикъла Carnot не са успели. Това е идеален цикъл, който не може да бъде изпълнен. Но той доказа основния принцип на втория закон за термодинамиката за невъзможността да се получи работа, равна на разходите топлинна енергия. За вторият закон на термодинамиката са формулирани редица дефиниции, въз основа на които Рудолф Клаузий въведе концепцията за ентропията. Основното заключение на неговото изследване е, че ентропията постоянно се увеличава, което води до термична "смърт".

Най-важното постижение на Клаузий е разбирането за същността на адиабатичния процес, ентропията на работната среда не се променя, когато тя се изпълнява. Следователно, Clausius адиабатичен процес е s = const. Тук s е ентропията, която дава още едно име на процеса, който се извършва без доставка или отстраняване на топлината, и изотропен процес. Ученият се занимаваше с търсенето на такъв цикъл на термична машина, при която нямаше да се получи увеличение на ентропията. Но, за съжаление, той не можеше да създаде такова нещо. Следователно, той заключи, че термичната машина изобщо не може да бъде създадена.

Но не всички изследователи бяха толкова песимистични. Те търсеха истински цикли за термични машини. В резултат на търсенето си Николаус Август Ото създаде свой собствен цикъл на топлинен двигател, който сега се реализира в бензинови двигатели. Тук, процесът се извършва чрез адиабатно сгъстяване на работния орган и изохорен топлоснабдяване (изгаряне на горива при постоянен обем), след това има адиабатно разширение (работа се извършва от работната среда в процеса на повишаване на неговия обем), и отстраняване изохорен топлина. Първите двигатели с вътрешно горене в цикъла на "Ото" използваха като гориво горими газове. Малко по-късно бяха измислени карбуратори, които започнаха да създават въздушни бензинови смеси с бензинови пари и ги захранваха с цилиндъра на двигателя.

В Ото смес горивен цикъл се пресова, така че количеството на компресия на относително малък - горивна смес има тенденция да детонира (експлодира при критичните налягания и температури). Следователно, работата при процес на адиабатична компресия е сравнително малка. Тук се въвежда още една концепция: степента на компресия е съотношението на общия обем към обема на компресията.

Търсенето на начини за повишаване на енергийната ефективност на горивата продължи. Увеличението на ефективността се наблюдава при увеличаване на степента на компресия. Рудолф Дизел развива цикъла си, при който доставката на топлина се извършва при постоянно налягане (в процеса на изображението). Неговият цикъл формира основата за двигатели, използващи дизелово гориво (нарича се също слънчево масло). В дизеловия цикъл не горивната смес, но въздухът е компресиран. Затова те казват, че работата се извършва в адиабатичния процес. Температурата и налягането в края на компресията са високи, така че инжекторите се инжектират през дюзите. Той се смесва с горещ въздух, образува запалима смес. Изгаря, докато вътрешната енергия на работния флуид се увеличава. Освен това разширяването на газа продължава по адиааба, като се извършва работният ход.

Опитът да се реализира цикълът на Дизел в термични машини се провали, затова Густав Тринклер създаде комбинирания цикъл на Trinkler. Използва се в днешните дизелови двигатели. В Trinkler цикъл, топлина се доставя от isochore, а след това от isobar. Едва след това се извършва адиабатно разширяване на работната среда.

По аналогия с бутални топлинни машини работят турбини. Но в тях процесът на отвеждане на топлината след завършване на полезно адиабатно разширение на газа се извършва от изображението. На самолетите с газови турбини и турбови двигатели адиабатичният процес се извършва два пъти: по време на компресия и разширяване.

За да се оправдаят всички основни понятия на адиабатичния процес, бяха предложени изчислителни формули. Тук се появява важно количество, което се нарича адиабатичен експонент. Стойността му за диатомичен газ (кислород и азот са основните диатомични газове, налични във въздуха) е 1,4. За да се изчисли адиабатичният индекс, се използват още две интересни характеристики, а именно: изообарни и изохорни топлинни мощности на работната среда. Тяхното съотношение k = Cp / Cv - е адиабатичният експонент.

Защо адиабатичният процес се използва в теоретичните цикли на термичните машини? В действителност се извършват политропни процеси, но поради факта, че те се появяват при висока скорост, обикновено се приема, че няма топлообмен с околната среда.

90% от електроенергията се генерира от топлоелектрически централи. Те използват водна пара като работен флуид. Той се получава при вряща вода. За да се увеличи работоспособността на парата, тя се прегрява. След това, при високо налягане, прегрятата пара се подава към парна турбина. Тук също се извършва адиабатичен процес на разширяване на пара. Турбината получава ротация, предава се на електрически генератор. Последният от своя страна генерира електричество за потребителите. Парогенераторите работят на цикъла Rankine. В идеалния случай повишаването на ефективността се свързва и с повишаване на температурата и налягането на водните пари.

Както може да се види от гореизложеното, адиабатичният процес е много разпространен при производството на механични и електрически енергии.