Procesul adiabatic al unui gaz ideal. Proces adiabatic. Raport proces adiabatic

Proces adiabatic

Adiabatic este un proces în care nu există schimb de căldură ( = 0) între sistemul fizic și mediu. Toate procesele rapide sunt aproape de adiabatice. De exemplu, procesul de propagare a sunetului într-un mediu poate fi considerat un proces adiabatic, deoarece viteza de propagare undă sonoră atât de mare încât schimbul de energie între undă și mediu nu are timp să se producă. Procesele adiabatice sunt utilizate în motoarele cu ardere internă (expandarea și comprimarea amestecului combustibil în cilindri), în unitățile frigorifice etc.

Mijloace pentru livrarea respectivului desicant lichid gravitațional în jos ca timp liber căzând pe suprafeţele plane menţionate ale nervurilor plate menţionate. 2. Sistem hibrid de aer condiţionat conform revendicării 1, în care mijloacele de circulaţie menţionate cuprind.

Mijloace de pompare pentru livrarea desicantului diluat cu apă la condensatorul menţionat, pentru livrarea desicantului lichid concentrat desorbit la evaporator şi pentru circularea desicantului în interiorul evaporatorului şi în condensatorul menţionat. Mijloace de schimb de căldură pentru răcirea desicantului înainte de intrarea în evaporator și încălzirea simultană a desicantului înainte de a intra în condensatorul menționat; precum şi.

Din prima lege a termodinamicii () pentru un proces adiabatic rezultă că

adică munca externă se realizează datorită modificărilor energiei interne a sistemului. Astfel, un proces adiabatic este opusul unuia izoterm, deoarece în acesta din urmă se lucrează datorită afluxului unei cantități echivalente de căldură din exterior.

Mijloace de alimentare cu agent frigorific comprimat fierbinte la respectivul condensator şi pentru furnizarea de agent frigorific rece expandat la evaporator. Un evaporator și un condensator, fiecare dintre ele având un schimbător de căldură și masă incluzând tuburi pentru primirea agentului frigorific menționat și aripioare atașate la tuburile menționate pentru a primi peliculele livrate prin gravitație ale desicantului lichid menționat.

Mijloace pentru circulația desicantului și a agentului frigorific menționat între și în interiorul evaporatorului și condensatorul menționat. Un mijloc pentru îndepărtarea aerului rece uscat din evaporator și a aerului cald umed din condensatorul menționat; precum şi. Un mijloc pentru adăugarea de umiditate la respectivul aer rece, uscat, îndepărtat din evaporator.

Folosind expresiile (52.1) și (53.4), pentru o masă de gaz arbitrară rescriem ecuația (55.1):

. (55.2)

Diferențierea ecuației de stare pentru un gaz ideal

. (55.3)

Să excludem din (55.2) și (55.3) temperatura T:

6. Sistem hibrid de aer condiţionat conform revendicării 5, în care mijloacele de adăugare menţionate cuprind. Un mediu de umidificare ataşat la numitul evaporator şi configurat într-un curent de aer de aer rece uscat evacuat din evaporator; precum şi.

Un distribuitor de apă adaptat să alimenteze cu apă mediul de umidificare dintr-un bazin configurat sub mediul de umidificare. O metodă de transformare a aerului cald umed în aer rece uscat, care cuprinde etape. Circularea agentului frigorific și a desicantului lichid diluat de la evaporator la condensator și a agentului frigorific și a desicantului lichid concentrat de la condensatorul menționat la evaporator.

.

Separând variabilele și ținând cont de faptul că (vezi (53.8)), obținem

Integrarea acestei ecuații în interval p 1 la p 2 si in consecinta din V 1 la V 2, iar apoi potențarea, obținem

, sau .

Transferul de căldură de la un uscător înainte de a intra în evaporator la un uscător înainte de a intra în condensatorul respectiv. Transferul de căldură și masă din aerul umed cald care intră în evaporator pentru a produce aer rece uscat deplasat din evaporator.

Transferarea căldurii și a masei de la condensatorul menționat la aerul care intră în condensatorul menționat pentru a produce aer cald umed deplasat din condensatorul menționat; şi umidificarea selectivă a aerului rece uscat deplasat din evaporator.

8. Metodă de conversie a aerului cald umed în aer rece uscat conform revendicării 7, în care respectivul transfer de căldură și masă din treapta de aer cald umed include îndepărtarea căldurii și absorbția umidității din aerul cald umed prin plasarea aerului umed cald menționat în contact termic cu suprafaţa răcită prin respectivul agent frigorific extins şi plasarea respectivului aer umed cald în contact cu un desicant lichid care curge pe suprafaţa de schimb menţionată.

Din moment ce statele 1 Şi 2 ales arbitrar, putem scrie

Const. (55,4)

Expresia rezultată este ecuaţie stare gazoasăîntr-un proces adiabatic, numit și ecuația lui Poisson.

Pentru a merge la variabile T, V sau r, T eliminați din (55.4) folosind ecuația Clapeyron-Mendeleev

8. Metodă de transformare a aerului cald umed în aer rece uscat conform revendicării 7, în care treapta termică menţionată include un recuperator situat pe calea de curgere a desicantului pentru răcirea şi încălzirea simultană a fluxului de desicant pentru răcirea şi încălzirea simultană a desicantului care intră în evaporator şi o condensator.

Invenţia se referă la un sistem de aer condiţionat cu compresie de vapori care conţine un desicant lichid pentru răcirea şi uscarea simultană a aerului condiţionat. Un sistem de desicare lichid poate asigura răcirea atunci când nu există o răcire activă prin uscarea aerului sub nivelul necesar conditii confortabile, schimbând căldură cu mediul și apoi injectând umiditate în sistem. Cu toate acestea, sistemele de dezumidificare necesită temperaturi scăzute ale lămpii umede pentru a asigura răcirea necesară.

presiune sau volum, respectiv:

Const, (55,5)

Const. (55,6)

Expresiile (55.4) - (55.6) reprezintă ecuațiile procesului adiabatic. În aceste ecuații, mărimea adimensională (vezi (53.8) și (53.2))

este Raportul lui Poisson. Pentru gazele monoatomice (Ne, He etc.), care satisfac destul de bine condiția de idealitate, = 3, = 1,67. Pentru gaze biatomice (H 2, N 2, O 2 etc.) = 5, = 1,4. Valorile calculate folosind formula (55.7) sunt bine confirmate prin experiment.

În schimb, sistemele de compresie a vaporilor trebuie să răcească în mod activ aerul sub punctul de rouă al aerului care intră în evaporator pentru a usca aerul prin condensare. Astfel, sistemul de compresie a vaporilor necesită ca temperatura evaporatorului să fie adusă la un nivel semnificativ mai mic decât cel necesar pentru a obține o răcire rezonabilă.

Sistemele hibride de comprimare a vaporilor cu desicant lichid combină beneficiile ambelor sisteme de desicare cu sistemele de compresie a vaporilor. Sistemele hibride combină răcirea activă și inteligentă întâlnită în sistemele de compresie a vaporilor cu răcirea latentă pasivă găsită în sistemele de dezumidificare a dezumidificatoarelor. Sistemul hibrid nu necesită subrăcire pentru a elimina umezeala din sistem. Prin urmare, nu se pierde energie din cauza aerului condiționat, deoarece umiditatea este absorbită mai degrabă decât condensată din aerul condiționat.

Diagrama unui proces adiabatic ( adiabatic) în coordonate p, V este reprezentat ca o hiperbolă (Fig. 83). Figura arată că adiabat ( = const) este mai abrupt decât izoterma ( pV= const). Acest lucru se explică prin faptul că în timpul compresiei adiabatice 1-3 O creștere a presiunii gazului este cauzată nu numai de o scădere a volumului acestuia, ca și în cazul compresiei izoterme, ci și de o creștere a temperaturii.

Sistemele hibride de compresie a vaporilor cu desicant lichid funcționează prin răcirea inteligentă a aerului și absorbția umidității din aer. Răcirea sensibilă are loc prin circularea agentului frigorific comprimat și expandat între evaporator și condensator găsit într-un sistem standard de compresie a vaporilor. Dezumidificarea are loc prin contactul aerului cu un desicant pe suprafețele de transfer de masă. Suprafețele de schimb de masă sunt pulverizate cu un desicant lichid, deoarece aerul exterior, aerul care se întoarce din spațiul condiționat sau un amestec al ambelor este tras sau suflat peste suprafețele de schimb de masă.

Să calculăm munca efectuată de gaz într-un proces adiabatic. Să scriem ecuația (55.2) sub forma

Dacă un gaz se extinde adiabatic din volumul său V 1 la V 2, apoi temperatura îi scade de la T 1 la T 2și munca de dilatare a unui gaz ideal

. (55.8)

Suprafeţele de schimb de masă descrise în stadiul tehnicii sunt separate de suprafaţa de schimb de căldură a sistemului de compresie a vaporilor. Suprafețele convenționale de transfer de masă necesită adesea o suprafață de transfer de căldură separată pentru a pre-usca sau a preîncălzi desicantul înainte de pulverizare în schimbătorul de masă. Problemele asociate cu suprafețele separate de transfer termic și de masă sunt costurile crescute necesare pentru achiziționarea de suprafețe separate de transfer termic și de masă și eficiența redusă a transferului termic și de masă.

Folosind aceleași tehnici ca la derivarea formulei (55.5), expresia (55.8) pentru lucru în timpul unui proces adiabatic poate fi transformată în forma

Lucrul efectuat de un gaz în timpul expansiunii adiabatice 1-2 (determinată de zona umbrită din Fig. 83), mai mică decât cu izotermă. Acest lucru se explică prin faptul că în timpul expansiunii adiabatice gazul este răcit, în timp ce în timpul expansiunii izoterme temperatura este menținută constantă datorită afluxului unei cantități echivalente de căldură din exterior.

În procesul de dezumidificare, umiditatea este absorbită din aerul condiționat prin atomizarea și răcirea desicantului în contact cu aerul într-un schimbător de masă de absorbant sau sorber. Apa este absorbită în contact direct cu picăturile pulverizate ale desicantului, antrenate de aer sau de peliculele care cad din partea de acoperire a desicantului sau de întreaga suprafață de comprimare în masă a sorberului. Metodele convenționale de atomizare sunt metode ineficiente pentru dezumidificarea aerului deoarece atomizarea creează un proces de sorbție adiabatică care crește temperatura sorbantului, reducând astfel transferul de masă.

Procesele considerate izocorice, izobare, izoterme și adiabatice au caracteristică comună– apar la capacitate termică constantă. În primele două procese, capacitățile termice sunt, respectiv, egale C V și C pîntr-un proces izoterm (dT=0) capacitatea termică este egală cu ±∞, într-un proces adiabatic (δQ=0) capacitatea termică este zero. Procesul prin care capacitatea termică rămâne constantă se numește politropică.

Astfel, un agent de pulverizare convențional necesită mai multe suprafețe de transfer de căldură și creează un sistem mai puțin eficient, deoarece este necesară refrigerarea pentru a elimina căldura de condensare, căldura soluției și căldura sensibilă transferată din aer. Energia convențională risipește un sistem hibrid și prin transferul de căldură prin mijloace de schimb de căldură exterioare suprafețelor schimbătorului de căldură ale sistemului de compresie a vaporilor sau prin circularea unui desicant prin suprafețele de schimb de căldură ale sistemului de compresie a vaporilor.

În timpul transferului de masă, soluția de desicare este diluată cu apă și, sub influența gravitației, cade pe un rezervor de decantare sau rezervor situat în interiorul sau sub sorber. Pentru a menține procesul de uscare, desicantul diluat trebuie să fie desorbit, adică regenerat. Regenerarea se realizează prin pulverizarea și încălzirea unui desicant diluat în contact cu aerul deplasat dintr-un schimbător de masă sau desorbitor. În consecință, o parte a desicantului diluat din colectorul de absorbție este pompată în dispozitivul de stripare pentru concentrare.

Pe baza primei legi a termodinamicii, în condiția capacității termice constante (C=const), putem deriva ecuația politropică:

unde este indicele politropic. Evident, pentru C=0, n=γ, din (55.9) se obține ecuația adiabatică; la С=∞, n=1 – ecuație izotermă; la C=C p, n=0 – ecuația izobară, la C=C V, n=±∞ – ecuația izocoră. Astfel, toate procesele luate în considerare sunt cazuri speciale de proces politropic.

Apa este desorbită din picături pulverizate de desicant antrenate de aer sau din peliculele care cad care acoperă o parte a desicantului sau toate suprafețele schimbătorului de masă desorbant. Încălzirea este necesară pentru a furniza căldura de vaporizare necesară pentru evaporarea apei din soluția de desicant și pentru a încălzi aerul care vine în contact cu soluția de desicant. Căldura este furnizată de o sursă de energie primară, cum ar fi gazul natural sau electricitatea, sau o sursă de energie regenerabilă, cum ar fi energia solară, căldura reziduală sau orice combinație a acestor surse.

În cursul studierii temei „Fundamentele teoriei cinetice moleculare”, am examinat așa-numitele izoprocese, adică procese care au loc la unul constant dintre parametrii macroscopici (presiune, volum sau temperatură). La înlocuirea acestor date în ecuația Clapeyron, aceste condiții au modificat-o ușor. Acum vom face o analiză similară, dar cu prima lege a termodinamicii:

Când căldura reziduală dintr-un sistem de comprimare a vaporilor este recuperată, căldura este transferată prin mijloace de transfer de căldură exterioare suprafețelor de schimb de căldură ale sistemului de comprimare a vaporilor sau prin circularea unui desicant pe toate suprafețele de schimb de căldură ale sistemului de comprimare a vaporilor. Soluția de desicare este concentrată în timpul acestui proces și cade prin gravitație într-un bazin în interiorul sau sub dispozitivul de decapare. Dezumidificarea continuă este facilitată prin pomparea aceluiași debit masic de desicant de la bazinul de absorbție la sorbitor ca a fost trimis de la bazinul de absorbție la dispozitivul de stripare.

Să luăm în considerare cazul procesului care are loc la o temperatură constantă:

Prin urmare:

Aceasta înseamnă că prima lege a termodinamicii ia forma:

Având în vedere cazul muncii pozitive efectuate asupra unui gaz de către forțe externe:

Adică, în timpul compresiei sau expansiunii izoterme, gazul eliberează căldură în mediu.

Uscătoarele hibride lichide etanșe la vapori, care recuperează căldura reziduală pentru a genera parțial sau întregul desicant, sunt sisteme mai eficiente decât cele care utilizează energie primară sau energie alternativă pentru regenerare. În plus, sistemele hibride de dezumidificare lichid-abur care sunt configurate pentru regenerare la temperatură scăzută sunt mai eficiente decât sistemele care se regenerează la temperaturi mai ridicate. Sistemele hibride convenționale care încorporează vehicule de pulverizare necesită temperaturi de regenerare mai ridicate, reducând astfel eficiența termică a sistemului.

Să luăm în considerare cazul în care procesul are loc la presiune constantă:

Deoarece niciun factor nu este inclus în nicio mărime termodinamică, niciun termen din prima lege a termodinamicii nu este resetat și își păstrează forma anterioară:

Acum să luăm în considerare ce schimbări vor avea loc în înregistrarea primei legi a termodinamicii dacă procesul are loc într-un volum fix.

În plus, sistemele hibride convenționale care nu combină suprafețele de transfer de căldură și masă pe o singură suprafață sunt mai puțin eficiente și necesită mai multă energie de lucru. Prezenta invenție dezumidifică și răcește simultan aerul folosind echipamente standard de compresie a vaporilor și solutii apoase desicanti lichizi. Invenția este un sistem hibrid de aer condiționat care cuprinde un compresor standard, un evaporator, un condensator și un agent frigorific. În plus, desicantul lichid și agentul frigorific circulă simultan între evaporator și condensator pentru a răci și a usca aerul evacuat în ele.

Prin urmare:

Aceasta înseamnă că prima lege a termodinamicii ia forma:

Adică, sensul utilizării proceselor izocorice în motoarele termice se pierde, deoarece toată energia combustibilului ars va merge pentru a schimba energia internă, iar gazul nu va face o muncă utilă.

Există, de asemenea, un altul foarte proces important- adiabatic.

Definiţie.Proces adiabatic - un proces care are loc într-un sistem izolat termic. Adică fără a furniza gaz sau a elibera căldură din gaz.

Prima lege a termodinamicii ia forma:

Adică, ca urmare a muncii efectuate asupra gazului de către forțele externe, acesta energie internă, și deci temperatura crește, iar când se lucrează cu gaz, aceasta scade.

Următoarele experimente sunt exemple clare ale ultimelor două afirmații.

1. Un cilindru închis de un piston în mișcare conține o cantitate mică de combustibil. După apăsarea rapidă a pistonului, combustibilul se aprinde.

2. Într-un recipient închis cu dop și filetat cu un furtun de pompă, există o cantitate mică de apă. După ce o anumită cantitate de aer este pompată în vas, dopul zboară rapid și se observă ceață în vas (Fig. 1).

Orez. 1. Exemple ilustrative procese adiabatice ()

În două cazuri, gazul efectuează lucrări de semn diferit și, prin urmare, modificarea energiei interne și a temperaturii are semne diferite. În ambele cazuri, se pune accent pe o schimbare rapidă a volumului deoarece este imposibil să se creeze un sistem perfect izolat, dar dacă luăm în considerare un proces foarte tranzitoriu, atunci căldura nu va avea timp să fie transferată, iar procesul poate fi luat în considerare. adiabatic.

Graficul proceselor adiabatice în Coordonatele P-V arată astfel (Fig. 2).

Orez. 2. Graficul procesului adiabatic ()

Începând de la următoarea lecție, trecem la studiul unei noi secțiuni de fizică - electrostatica.

Referințe

  1. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z. Fizica moleculară. Termodinamica. - M.: Dropia, 2010.
  2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizica clasa a X-a. - M.: Ilexa, 2005.
  3. Kasyanov V.A. Fizica clasa a X-a. - M.: Dropia, 2010.
  1. Flash-fizika.narod.ru ().
  2. Youtube.com().
  3. Nashaucheba.ru ().

Teme pentru acasă

  1. Pagină 82: nr. 635-639. Fizică. Cartea cu probleme. 10-11 clase. Rymkevici A.P. - M.: Butard, 2013. ()
  2. Odată cu expansiunea adiabatică a 64 g de oxigen în condiții normale, temperatura a crescut de 2 ori. Câtă muncă a fost făcută de gaz?
  3. Determinați cantitatea de căldură transmisă la 2 kg de heliu la un volum constant dacă temperatura acestuia a crescut cu 100 K. Cât de mult s-a schimbat energia internă a gazului și câtă muncă a fost efectuată de acesta?
  4. * De ce, dacă dărâmați robinetul unui cilindru cu aer comprimat, apare îngheț pe gâtul cilindrului?