Термодинамические процессы

Изохорный процесс происходит при нагревании или охлаждении газа в постоянном объеме. Это может быть цилиндр с неподвижным поршнем или резервуар постоянного объема.

Уравнение изохорного процесса v = const. Соотношение между параметрами состояния в изохорном процессе в соответствии с законом Шарля для идеальных газов

В рv-координатах изохорный процесс изображают отрезком прямой, параллельной оси ординат (pиc 2). При нагревании газа его давление и температура повышаются, а при охлаждении снижается

Рис. 2. Диаграмма изохорного процесса:

а — с подводом теплоты; б – c отводом теплоты

Механическая работа газа l в изохорном процессе равна нулю, так как нет изменения объема:

По первому закону термодинамики теплота изохорного процесса

Так как l = 0, то подводимая к газу теплота идет на изменение его внутренней энергии.

Поэтому в изохорном процессе с подводом теплоты внутренняя энергия газа, а следовательно, и его температура повышаются, а в процессе с отводом теплоты — снижаются.

Из равенства следует, что изменение внутренней энергии равно

Изобарный процесс

Изобарный процесс происходит при нагревании или охлаждении газа с постоянным давлением.

В рv-координатах изобарный процесс изображается отрезком прямой, параллельной оси абсцисс (рис.3).

Работа газа в изобарном процессе

так как по уравнению состояния pv = RT.

Рис. 3. Диаграмма изобарного процесса:

a — с подводом теплоты; б — с отводом теплоты

Учитывая ,что р₂=р₁,располагаемая работа l₀ в изобарном процессе

Теплота, необходимая для совершения процесса, по первому закону термодинамики

Изотермический процесс

Изотермический процесс происходит при расширении или сжатии газа при постоянной температуре, т.е. при постоянной внутренней энергии.

В рv-координатах изотермический процесс соответствует отрезку равнобокой гиперболы (рис.4), чем выше температура, тем выше (или правее) лежит изотерма.

Рис. 4. Диаграмма изотермического процесса:

а — с подводом теплоты; б — с отводом теплоты

Соотношение между начальными и конечными переменными параметрами в процессе вытекает из его уравнения (pv = const):

Так как температура в изотермическом процессе не изменяется, то не изменяется и внутренняя энергия газа, т.е. ∆u = 0.

Работа газа в изотермическом процессе

Адиабатный процесс

Адиабатный процесс происходит при расширении или сжатии газа без внешнего теплообмена. Уравнение адиабаты pv^k = const. Так как k всегда больше единицы, то в рv-координатах адиабата соответствует отрезку смещенной гиперболы, проходящей круче изотермы (рис.5).

Рис. 5. Диаграмма адиабатного процесса:

а — с уменьшением внутренней энергии; б — с увеличением внутренней энергии

Таким образом, адиабатное расширение газа происходит с увеличением объема и уменьшением давления и температуры. При адиабатном сжатии изменение этих параметров состояния обратное.

Соотношение между параметрами состояния в адиабатном процессе может быть получено по уравнению адиабаты:

Работа газа в адиабатном процессе

С учетом формулы, получим

Политропные процессы

Политропными называются процессы, происходящие при постоянной теплоемкости и удовлетворяющие уравнению pvⁿ = const, где n —показатель политропы; он может быть любым, но постоянным для данного процесса числом (все рассмотренные ранее процессы являются частными случаями политропных процессов).

Уравнение политропы pvⁿ == const можно представить и в виде: p1/nv=const. При определенных значениях n уравнение политропы соответствует уравнениям четырех основных термодинамических процессов:

Так как уравнение политропного процесса сходно с уравнением адиабатного процесса, то соотношения между параметрами состояния в политропном процессе будут такими же, как в адиа­батном:

Аналогичным будет и уравнение работы газа в политропном процессе