Особенности адиабатного процесса

Размещено на http://www.allbest.ru/

1.Адиабатный (адиабатический) процесс

теплоизолированный адиабатный двигатель

Согласно первому закону термодинамики ДU = Q + A.

Изотермический, изохорный и изобарный, изопроцессы широко применяются в технике. Так, закон Гей-Люссака положен в основу строения газовых термометров; закон Шарля «работает» в устройствах, которые называются автоклавами, и т. п. Термодинамика изучает еще один процесс, широко применяющийся на практике, в частности в тепловых двигателях. Это так называемый адиабатный процесс.

Адиабатный процесс -- это термодинамический процесс, который происходит в теплоизолированной системе, то есть при отсутствии теплообмена с окружающими телами.

Поскольку в таком случае Q = 0, то в соответствии с первым законом термодинамики вся выполненная работа идет на изменение внутренней энергии системы: A = ДU.

Конечно, в реальных условиях достичь такого результата практически невозможно, поскольку не существует идеальных изоляторов тепла. Но приблизиться к этому условию можно несколькими способами. Например, создать оболочки с низкой теплопроводностью (по принципу термоса) или осуществить процесс настолько быстро, чтобы теплообмен между системой и окружающими телами был непродолжительным и им можно было пренебречь.

При адиабатном сжимании газа вся выполненная работа идет на увеличение внутрен­ней энергии тела: A = ДU. При адиабатном расширении газа A' = -ДU, то есть газ выполняет работу за счет уменьшения собственной внутренней энергии.

Рис. 1

Например, быстрое сжатие газа вызывает возрастание внутренней энергии, которая равняется количеству выполненной работы A, и газ нагревается. На этом явлении, в частности, построено самовозгорание топливной смеси в дизельных двигателях. И наоборот, если газ сам выполняет работу вследствие стремительного расширения, то его внутренняя энергия уменьшается, и температура газа снижается. Это свойство адиабатного процесса положено в основу сжижения газа. Примером адиабатного процесса является также взрыв, плавление предохранителя при коротком замыкании и т. п.

Адиабаты, как и изотермы, не перекрещиваются между собой

Графически на координатной плоскости pV адиабатный процесс изображается кривой, которая называется адиабатой. Она падает круче, чем изотерма, поскольку при адиабатном процессе изменение давления происходит за счет одновременного увеличения объема и уменьшения температуры. Этот вывод подтверждает также формула: p = nkТ, ведь увеличение объема газа ведет к уменьшению концентрации молекул газа, и потому уменьшение давления обусловливают два параметра -- температура газа T и концентрация молекул n.

Вследствие адиабатного расширения газа происходит изменение его состояния, которое характеризуется уменьшением внутренней энергии; при адиабатном сжимании газа его внутренняя энергия возрастает.

Существование атмосферного давления было показано рядом экспериментов в XVII веке. Одним из первых доказательств гипотезы стали магдебургские полушария, сконструированные немецким инженером Герике. Из сферы, образованной полушариями, выкачивался воздух, после чего их было трудно разъединить в силу внешнего давления воздуха. Другой эксперимент в рамках исследования природы атмосферного давления поставил Роберт Бойль. Он состоял в том, что если запаять изогнутую стеклянную трубку с короткого конца, а в длинное колено постоянно подливать ртуть, она не поднимется до верха короткого колена, поскольку воздух в трубке, сжимаясь, будет уравновешивать давление ртути на него. К 1662 году данные опыты позволили прийти к формулировке закона Бойля -- Мариотта.

В 1779 году в «Пирометрии» Ламберта был описан опыт повышения и понижения температуры в приёмнике воздушного насоса при движении поршня. Впоследствии данный эффект был подтверждён Дарвином (1788) и Пикте (1798). В 1802 году Дальтон опубликовал доклад, в котором, в числе прочего, указал, что сгущение газов сопровождается выделением тепла, а разрежение -- охлаждением. Рабочий оружейного завода зажёг трут в дуле духового ружья путём сжатия воздуха, о чём сообщил в 1803 году лионский физик Моле.

Теоретическим обобщением накопившихся экспериментальных знаний занялся физик Пуассон. Так как при адиабатическом процессе температура непостоянна, то закон Бойля -- Мариотта требует поправки, которую Пуассон обозначил как коэффициент k и выразил через соотношение теплоёмкостей. Экспериментально данный коэффициент определялся Вальтером и Гей-Люссаком (эксперимент описан в 1807 году) и затем, более точно Дезормом и Клеманом в 1819 году. Практическое использование адиабатического процесса предложил С. Карно в работе «Движущая сила огня» в 1824 году.

2.Внутренняя энергия идеального газа

Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Поэтому применительно к адиабатическому процессу её изменение имеет тот же физический смысл, что и в общем случае. Согласно закону Джоуля, выведенному экспериментально, внутренняя энергия идеального газа не зависит от давления или объёма газа. Исходя из этого факта, можно получить выражение для изменения внутренней энергии идеального газа. По определению молярной теплоёмкости при постоянном объёме

Иными словами -- это предельное соотношение изменения внутренней энергии и породившего его изменения температуры. При этом, по определению частной производной считается только то изменение внутренней энергии, которое порождено именно изменением температуры, а не другими сопутствующими процессами. Так как внутренняя энергия идеального газа является функцией только температуры, то

где v -- число молей идеального газа.

3.Адиабата Пуассона

Для идеальных газов, чью теплоёмкость можно считать постоянной, в случае квазистатического процесса адиабата имеет простейший вид и определяется уравнением.

где  -- его объем,  -- показатель адиабаты,  и  -- теплоёмкости газа соответственно при постоянном давлении и постоянном объёме.

Для идеальных газов адиабата имеет простейший вид и определяется уравнением: где:

· -- давление газа,

· -- его объём,

· -- показатель адиабаты,

· и -- теплоёмкости газа соответственно при постоянном давлении и постоянном объёме.

Показатель адиабаты. Для нерелятивистского невырожденного одноатомного идеального газа , для двухатомного , для трёхатомного , для газов состоящих из более сложных молекул, показатель адиабаты, определяется числом степеней свободы конкретной молекулы.

Уравнения Пуассона описывают квазистатические адиабатические процессы. Адиабатическое сжатие приводит к тому, что газ нагревается, в случае адиабатического расширения он охлаждается. В отличие от изотермического процесса для адиабатического процесса характерно более быстрое уменьшение давления с увеличением объема. Работа, которую совершает газ при адиабатическом процессе, всегда меньше работы, совершаемой при изотермическом процессе, если считать изменение объема одинаковым для обоих случаев. При адиабатическом процессе существует зависимость работы от показателя адиабаты. Устремив g > 1, получим значение работы при изотермическом процессе, т. е. произойдет переход адиабаты (Q =const) в изотерму (T= const).Уравнения адиабаты относятся только к квазистатическому адиабатическому процессу. Для неквазистатических адиабатических процессов эти уравнения не применимы. Рассмотрим, например, цилиндр с адиабатическими стенками, разделенный на две равные половины адиабатической перегородкой. Пусть газ вначале занимал одну из этих половин. Если внезапно убрать перегородку, то произойдет адиабатический процесс расширения газа в пустоту. Этот процесс не квазистатический. Сначала возникнет резко неравновесное состояние, сопровождающееся весьма бурными и сложными макроскопическими движениями газа. Затем эти макроскопические движения затухнут из-за внутреннего трения, их кинетическая энергия перейдет во внутреннюю энергию. В конце концов установится равновесное состояние, в котором газ будет занимать весь объем цилиндра при постоянной плотности и температуре. В ходе процесса газ не совершил никакой работы, тепло к нему не подводилось, а потому внутренняя энергия газа осталась без изменения. Отсюда на основании закона Джоуля можно заключить, что в конечном состоянии температура газа будет такой же, как в начале процесса. Было бы ошибочным применять к начальному и конечному состояниям газа уравнение адиабаты. Если это сделать, то мы пришли бы к ошибочному выводу, что в описанном адиабатическом процессе газ должен охлаждаться. Разумеется, если отступления от неравновесности невелики, то можно пользоваться уравнением адиабаты и для не вполне равновесных процессов. Такие условия выполняются, например, в опытах Клемана и Дезорма по определению адиабатической постоянной газа у, а также в обычных звуковых волнах, распространяющихся в газах.

4.Применение в технике

Использование адиабатного процесса испарения для снижения температуры приточного воздуха.

Физическая сущность указанного способа заключается в следующем. Наружный воздух, обрабатываемый в камере орошения кондиционера, вступает в контакт с капельками разбрызгиваемой воды, которая имеет температуру мокрого термометра. В результате воздух принимает состояние, близкое к состоянию насыщения %), за счет происходящего в этом случае испарения влаги. Источником теплоты в процессе испарения для системы «вода -- воздух» является воздух, а потенциалом переноса теплоты -- разность температур между воздухом и водой.

Приточный воздух, отдавая явную теплоту в процессе теплообмена, снижает свою температуру. Теоретически при достижении полного насыщения конечная температура воздуха должна быть равна температуре мокрого термометра. Практически достичь такого состояния воздуха в камере орошения не удается. При адиабатном способе обработки приточного воздуха из всех основных элементов кондиционера функционирует только оросительная камера.

Вода в камере орошения принимает температуру мокрого термометра. Для поддержания этой температуры не требуется специальных охлаждающих устройств. Расход воды на испарение составляет 3-5%. Остальная вода выпадает в поддон, откуда насосом подается к форсункам. Подпитка камеры орошения водой осуществляется автоматически. Изменение температуры разбрызгиваемой воды за счет добавляемой воды практически не наблюдается за счет незначительного количества подпитки.

Любое вещество можно перевести в газообразное состояние надлежащим подбором давления и температуры. Поэтому возможную область существования газообразного состояния графически удобно изобразить в переменных: давление р - температура Т (в р, Т-диаграмме). При температурах ниже критической Тк эта область ограничена кривыми сублимации (возгонки) / и парообразования II. Это означает, что при любом давлении ниже критического рк существует температура Т, определяемая кривой сублимации или парообразования, выше которой вещество становится газообразным. В состояниях на кривой 1 (ниже тройной точки Tp)газ находится в равновесии с твёрдым веществом (твёрдой фазой), а на кривой II (между тройной и критической точкой К.) - с жидкой фазой. Газ в этих состояниях обычно называют паром вещества.

При температурах ниже Тк можно сконденсировать газ. - перевести его в др. агрегатное состояние (твёрдое или жидкое). При этом фазовое превращение газа в жидкость или твёрдое тело происходит скачкообразно: весьма малое изменение давления приводит к конечному изменению ряда свойств вещества (например, плотности, теплоёмкости и др.). Процессы конденсации газа имеют важное техническое значение.

При Т > Тк граница газообразной области условна, поскольку при этих температурах фазовые превращения не происходят. В ряде случаев за условную границу между газом. и жидкостью при сверхкритических температурах и давлениях принимают критическую изохору вещества (кривую постоянной плотности или удельного объёма), в непосредственной близости от которой свойства вещества изменяются, хотя и не скачком, но особенно быстро. В связи с тем что область газового состояния очень обширна, свойства газов при изменении температуры и давления могут меняться в широких пределах. С другой стороны, при высоких давлениях вещество, которое при сверхкритических температурах можно считать газом, обладает огромной плотностью (например, в центре некоторых звёзд ~109г/см3). В зависимости от условий в широких пределах изменяются и др. свойства газов - теплопроводность, вязкость и т. д.

Сжижение газов

Сжижение газов - переход вещества из газообразного состояния в жидкое.

Оно достигается охлаждением их ниже критической температуры (Тк ) и последующей конденсацией в результате отвода теплоты парообразования (конденсации).

Охлаждение газа ниже ТК необходимо для достижения области температур, при которых газ может сконденсироваться в жидкость (при Т > ТК жидкость существовать не может). Впервые газ (аммиак) был сжижен в 1792 (голландский физик М. ван Марум). Хлор был получен в жидком состоянии в 1823 (М.Фарадей), кислород -- в 1877 (швейцарский учёный Р. Пикте и- французский учёный Л. П. Кальете), азот и окись углерода -- в 1883 (З. Ф. Вроблевский и К.Ольшевский) водород -- в 1898 (Дж. Дьюар), гелий -- в 1908 (Х. Камерлинг-Оннес).

Промышленное сжижение газа с критической температурой ТК выше температуры окружающей среды (например, аммиак, хлор) осуществляется с помощью компрессора, где газ сжимается, и последующей конденсацией газа в теплообменниках, охлаждаемых водой или холодильным рассолом. Сжижения газа с ТК, которая значительно ниже температуры окружающей среды, производится методами глубокого охлаждения. Наиболее часто для сжижения газа. с низким ТК применяются холодильне циклы, основанные на дросселировании сжатого газа (использование Джоуля -- Томсона эффекта), на расширении сжатого газа с производством внешней работы в детандере, на расширении газа из постоянного объёма без совершения внешней работы (метод теплового насоса). В лабораторной практике иногда используется каскадный метод охлаждения (сжижения).

Адиабатный двигатель с внешним подводом теплоты (двигатель внешнего сгорания, двигатель Стирлинга)

Двигатель может быть применен как:

- криоохладитель - в энергетике для обеспечения сверхпроводимости, в медицине для сохранения органов, в пищевой промышленности для заморозки продуктов;

- двигатель для экологически чистого транспорта, работающего на тепловых аккумуляторах, изотопах, термохимической реакции или экологически чистом топливе;

- двигатель для транспортных средств, работающих на альтернативных видах топлива (сжатый природный газ, сжиженный нефтяной газ, криогенное топливо);

- двигатель для надводных судов;

- анаэробный двигатель для подводных и космических кораблей, для подводных и космических добывающих комплексов для извлечения полезных искомых из донных отложений и океанических россыпей, для добычи Гелия-3 из лунного грунта;

- двигатель для энергосберегающих когенерационных технологий, вырабатывающих тепловую и электрическую энергию с уменьшенным удельным КПД энергетических установок;

- привод для систем и установок для рационального использования энергоресурсов и комплексного использования вторичных энергоресурсов;

- привод для систем комплексного совместного использования традиционной энергетики и возобновляемых источников энергии;

- привод для энергетических установок, обеспечивающих прямое преобразование солнечного излучения в электроэнергию:

a) привод для систем более эффективных и экологически чистых технологий использования геотермальных источников энергии;

b) привод для производства электроэнергии и тепла на органическом топливе;

c) холодильник для бытовых и промышленных холодильников и кондиционеров;

d) двигатель для высотной винтовой авиации, в т.ч. для долгих (месяцы, годы) полетов, и т.д.

Прорывной проект по созданию двигателя с внешним подводом теплоты (двигателя Стирлинга) четвертого поколения, на базе которого можно создать более эффективные во всех отношениях силовые установки, имеет принципиальное отличие от выпускающихся аналогичных двигателей. Уникальность представленной концепции заключается в том, что новый двигатель будет иметь несколько принципиальных усовершенствований, которые позволят создаваемому двигателю занять лидирующие позиции в двигателестроении.

Двигатель с внешним подводом теплоты давно востребован на рынке, но до сих пор в России серийно не выпускается, причина нет достойных разработанных конструкций, позволяющих вкладывать в них деньги. Попытки некоторых компаний разработать свой вариант двигателя не находили претворения по причине классического (автомобильного) подхода к решению проблем двигателя. Нестандартный подход к решению технических проблем показал, что эти решения существуют и они кардинально повышают эффективность двигателя.

Разработка АДВПТ достаточно наукоемкая, плагиаторам быстро повторить (скопировать) разработку не получится. Двигатель будет пользоваться огромным спросом, т.к. он решает массу задач, которые трудно решить существующими методами, он имеет характеристики значительно лучшие, чем продукт аналогичного назначения, имеющийся на рынке, его показатели недоступны для конкурирующих образцов. В свете его стратегического характера, его цена может быть очень высокой, что даст высокую маржу и возможность развивать другие конструкции. Длинный жизненный цикл позволит получать доход с услуг по обслуживанию, модернизации, ремонту двигателей. Двигатель очень перспективен для применения в разных областях народного хозяйства, что дает высокую степень системной инновационности, позволит создать технологическое дифференцирование на рынке и диверсифицированный портфель инновационных продуктов и услуг, т.е. позволит иметь различные варианты и номенклатуру исполнения для различных применений, что в свою очередь позволит уменьшить инновационные риски. Это идеальный проект для инвестирования, который позволит многие годы извлекать из него высокую прибыль и стать лидером в отрасли.

Финансовый риск производства двигателей с внешним подводом теплоты в условиях дефицита энергетических ресурсов минимальный, т.к. сделать неработоспособный двигатель с предлагаемым бесшатунным преобразователем движения практически невозможно. К тому же, любой успешный бизнес связан с продажей трех вещей - того, что делается, того, как это делается, и акций фирмы. В техническом плане риски незначительны, т.к. существует множество решений для обхода появляющихся трудностей.

Всё вышеописанное пока нигде не воплотилось в работающие технологии. Промышленность развитых стран ушла недосягаемо далеко в ряде областей машиностроения и энергомашиностроения, иногда их пути тупиковые, но в них вложены огромные средства и эти тупиковые технологии стали заложником этих средств и вынуждены «развиваться» по ошибочному сценарию, они не могут по экономическим причинам сойти с ошибочного пути, что и случилось с двигателем Стирлинга.

Преимущества АДВПТ:

- керамический блок цилиндров - повышение термического КПД за счет отсутствия уноса тепла в охлаждение (адиабатный процесс), следовательно, повышенная экономичность, а также снижение цены материала и изготовления (ноу-хау);

- внутрицилиндровая регенерация, дающая большую разность температур, а значит и более высокий термический КПД (ноу-хау);

- анаэробность - возможность работы под водой, в космосе, в пыльных и огнеопасных условиях;

- многотопливность - применение любого топлива или способа, дающего тепло;

- исключительная экономичность - топливо сжигается при атмосферных условиях строго дозировано и при большом избытке воздуха;

- эксплуатационная универсальность - может использоваться везде, где применяются двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели;

- экологичность - бесшумность работы и малотоксичный выхлоп или вовсе его отсутствие;

- технологичность производства - легкая сборка из отдельных узлов или деталей;

- возможность в разы увеличить мощность (ноу-хау);

- способность трогания «с места» (ноу-хау);

- большой ресурс работы;

- возможность работы на сверхмалых оборотах (ноу-хау);

- сравнимые с ДВС размеры и масса;

- отличные характеристики в любых режимах нагрузки;

- высокий крутящий момент на всех режимах;

- широкая область применения.

6.Адиабатное дросселирование

Любой кран, вентиль, задвижка, клапан и прочие местные сопротивления, уменьшающие проходное сечение трубопровода, вызывают дросселирование газа или пара и, следовательно, падение давления. Иногда дросселирование специально вводится в цикл работы той или иной машины: например, путем дросселирования пара перед входом в паровые турбины регулируют их мощность. Аналогичный процесс осуществляется и в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания, где мощность регулируется изменением положения дроссельной заслонки карбюратора.

Дросселирование газов и паров используют для понижения их давления в специальных редукционных клапанах, широко применяемых в системах тепло - и парогазоснабжения различных предприятий, а также и в холодильной технике для получения низких температур и сжижения газов путем их многократного дросселирования .

Адиабатным дросселированием (или мятием) называют необратимый переход рабочего тела от высокого давления p1 к низкому давлению p2 без теплообмена. При подходе к диафрагме поток, сужаясь, разгоняется, давление внутри его уменьшается, а на стенки трубопровода и диафрагмы вследствие торможения газа в застойной зоне оно несколько повышается. После прохождения отверстия поток, расширяясь до стенок трубопровода, тормозится, давление газа при этом возрастает.

Получение низких температур и, в частности, сжижение газов целесообразнее осуществлять методом адиабатического расширения газов, а не дросселированием, при котором уменьшение температуры газов, как было показано выше, возможно лишь при условии, если начальная температура газов будет ниже температуры инверсии. Однако в холодильных установках применяют дроссельный вентиль, а не детандер (расширительный цилиндр), так как потери эффективности использования установки от этого не так уж значительны, но зато, регулируя степень открытия вентиля, легко получать требуемое падение давления, а значит, и нужную температуру в охлаждаемом объеме.

Размещено на Allbest.ru