Što je adijabatski proces?

Izgraditi toplinski stroj koji možeDa bi radili zbog korištenja topline, potrebno je stvoriti određene uvjete. Prije svega, toplinski motor mora raditi u cikličkom načinu rada, gdje niz narednih termodinamičkih procesa stvara ciklus. Kao rezultat ciklusa, plin, zatvoren u cilindru s pokretnim klipom, obavlja svoj rad. Ali jedan ciklus za periodički operativni stroj je mali, mora ponovo i iznova izvoditi cikluse za određeno vrijeme. Ukupni posao koji se obavlja za određeno vrijeme u stvarnosti, podijeljeno vremenom, daje još jedan važniji koncept - moć.

Sredinom XIX stoljeća, prva toplinastroj. Oni su proizveli posao, ali su proveli veliku količinu topline dobivene paljenjem goriva. Tada su teoretičari postavili pitanja: "Kako plin radi u toplinskom motoru? Kako najbolje iskoristiti posao s minimalnim gorivom? "

Za obavljanje analize plina, to je bilo potrebnouvesti cijeli sustav definicija i koncepata. Ukupnost svih definicija i stvorila cijeli znanstveni smjer dobio je naziv "Tehnička termodinamika". U termodinamici su usvojene brojne pretpostavke koje uopće ne utječu na glavne zaključke. Radno tijelo je prolazan plin (koji ne postoji u prirodi), koji se može komprimirati na nultu količinu, molekule koje ne međusobno djeluju. U okolnoj prirodi postoje samo pravi plinovi, koji imaju vrlo određena svojstva koja se razlikuju od idealnog plina.

Da bismo razmotrili modele dinamike radne tekućine, predloženi su zakoni termodinamike koji opisuju osnovne termodinamičke procese, kao što su:

• Izohorički proces je proces koji se obavlja bez promjene volumena radne tekućine. Stanje izohorskog procesa, v = const;
• Izobarni proces je proces koji se obavlja bez mijenjanja tlaka u radnom tijelu. Stanje izobarnog procesa, P = const;
• Izotermalni (izotermalni) proces je proces koji se provodi uz održavanje temperature na određenoj razini. Stanje izotermnog procesa, T = const;
• Adiabatski proces (adijabatski, kako se zove moderna inženjering topline) je proces koji se obavlja u prostoru bez razmjene topline s okolinom. Stanje adijabatskog procesa, q = 0;
• politropna proces - je generalizirani postupak koji opisuje sve termodinamičkih gore navedenih postupaka, kao i sve ostale mogućnosti ispunjenja u cilindru s pomičnim klipom.

Tijekom stvaranja prvih toplineciklus u kojem je moguće postići najveću učinkovitost (koeficijent učinkovitosti). Sadie Carnot, istražujući ukupnost termodinamičkih procesa, inspiracijom došao do razvoja ciklusa koji je dobio njegovo ime - ciklus Carnot. On dosljedno provodi izotermni, a zatim adijabatski proces kompresije. Radno tijelo, nakon provedbe tih procesa, ima rezervu unutarnje energije, ali ciklus još nije dovršen, tako da se radno tijelo širi i provodi izotermalni proces ekspanzije. Za dovršetak ciklusa i povratak na izvorne parametre radnog tijela provodi se adijabatski proces ekspanzije.

Carnot je dokazao kako postiže učinkovitost u svom ciklusumaksimalno i ovisi samo o temperaturama dviju izotermi. Što je veća razlika između njih, to je veća toplinska učinkovitost. Pokušaji stvaranja toplinskog stroja u Carnotovom ciklusu nisu bili okrunjeni uspjehom. Ovo je idealan ciklus koji se ne može izvesti. Ali on je pokazao glavno načelo drugog zakona termodinamike o nemogućnosti dobivanja posla jednakog troškovima toplinske energije. Za drugi zakon termodinamike formuliran je niz definicija, na temelju kojih je Rudolf Clausius uveo pojam entropije. Glavni zaključak njegova istraživanja je da entropija stalno raste, što dovodi do toplinske "smrti".

Najvažnije postignuće Clausiusa bilo jerazumijevanje suštine adijabatskog procesa, kada se provodi, entropija radne tekućine ne mijenja. Stoga je Clausius adijabatski proces s = const. Ovdje je entropija koja daje još jedan naziv procesu koji se izvodi bez napajanja ili uklanjanja topline, izentropskog procesa. Znanstvenik je bio angažiran u potrazi za takvim ciklusom toplinskog stroja, gdje se ne bi dogodio porast entropije. Ali, na žalost, nije mogao stvoriti takvu stvar. Stoga je zaključio da toplinski stroj se uopće ne može stvoriti.

Ali nisu svi istraživači bilipesimističan. Tražili su prave cikluse za toplinske strojeve. Kao rezultat njihove pretrage, Nikolaus August Otto stvorio je vlastiti ciklus topline, koji se sada ostvaruje u benzinskim motorima. Ovdje se proces izvodi adijabatski kompresije radnog tijela i isochoric opskrbe toplinskom energijom (izgaranje goriva kod konstantnog volumena), zatim tu su adijabatski ekspanzija (posao obavila radnog medija u postupku povećanja volumena), a isochoric odvođenje topline. Prvi motori s unutarnjim sagorijevanjem u Otto ciklusu koristili su zapaljive plinove kao gorivo. Mnogo kasnije je izumio rasplinjača koji su postali benzovozdushnoy stvoriti mješavinu zraka s benzinskih para i ih hranjenja na cilindru motora.

Otto ciklus oblači goruću mješavinu, daklekomprimirana vrijednost je relativno mala - goriva mješavina nastoji detonirati (eksplodira pri kritičnim pritiscima i temperaturama). Stoga je rad u adijabatskom procesu kompresije relativno mali. Ovdje se uvodi još jedan koncept: stupanj kompresije je omjer ukupnog volumena i volumena kompresije.

Traženje načina za povećanje učinkovitostinastavlja se uporaba energije goriva. Povećanje učinkovitosti vidljivo je u povećanju stupnja kompresije. Rudolf Diesel razvio je svoj ciklus u kojem se opskrba toplinom provodi pri stalnom pritisku (u izobarskom procesu). Njegov ciklus stvorio je osnovu za motore koji koriste dizelsko gorivo (također se nazivaju solarno ulje). U ciklusu Diesel, ne sa zapaljivom smjesom, već se zrak komprimira. Stoga, kažu da se rad obavlja u adijabatskom procesu. Temperatura i tlak na kraju kompresije su visoki, tako da se mlaznice ubrizgavaju kroz mlaznice. Miješano je s vrućim zrakom, tvori goruću mješavinu. Ona gori, dok se unutarnja energija radne tekućine povećava. Nadalje, širenje plina nastavlja se uz adiabat, a radni je udar napravljen.

Pokušaj ostvarivanja Diesel ciklusa u toplinskojstrojevi nisu uspjeli, pa je Gustav Trinkler stvorio kombinirani ciklus Trinklera. Koristi se u današnjim dizelskim motorima. U ciklusu Trinkler, toplina dobiva izokore, a zatim izobar. Tek nakon toga se izvodi adijabatsko širenje radnog medija.

Po analogiji s izmjenjivim toplinskim strojevimarad i turbina. Ali u njima proces odzračivanja topline nakon završetka korisnog adijabatskog širenja plina izvodi se izobarom. Na avionima s plinskom turbinom i turbopropnim motorima, adijabatski proces odvija se dvaput: tijekom kompresije i ekspanzije.

Opravdati sve osnovne pojmoveadijabatski proces, predložene su formulacije izračuna. Ovdje se pojavljuje važna količina koja se naziva adiabatski eksponent. Njegova vrijednost za diatomski plin (kisik i dušik su osnovni diatomski plinovi dostupni u zraku) je 1.4. Za izračunavanje adijabatskog indeksa upotrebljavaju se još dva zanimljiva obilježja: izobarična i izoholička toplinska svojstva radnog medija. Njihov omjer k = Cp / Cv - je adiabatski eksponent.

Zašto u teorijskim ciklusima toplinskih strojevakoristi se adijabatski proces? Zapravo obavlja politropska proces, ali s obzirom na činjenicu da su nastali na visokoj brzini, to je prihvaćeno da preuzme odsutnost izmjene topline s okolinom.

90% električne energije proizvodi toplinskielektrane. Koriste vodenu paru kao radnu tekućinu. Dobiva se kipućom vodom. Kako bi se povećala radna sposobnost pare, to je pregrijana. Zatim, pri visokotlačnom pritisku, pregrijana para se dovodi u parnu turbinu. Ovdje se odvija i adijabatski proces ekspanzije pare. Turbina dobiva rotaciju, prenosi se na električni generator. Potonji, zauzvrat, stvara električnu energiju potrošačima. Parne turbine rade na ciklusu Rankine. Idealno, povećanje učinkovitosti također je povezano s povećanjem temperature i pritiska vodene pare.

Kao što se može vidjeti iz gore navedenog, adijabatski proces je vrlo uobičajen u proizvodnji mehaničkih i električnih energija.