4.3. Изображение политропных процессов в р,V и t,s- диаграммах Политропа в р,V- диаграмме

На рис.4.2 изображены характерные политропные процессы в Р,v- координатах. Все процессы проведены через общую точку А, что позволяет наглядно сопоставить изображение политроп с различными значениями показателя политропы n.

Показатель политропы определяет характер процесса. В Р,v- координатах политропа описывается уравнением Рvⁿ=const, в соответствии с которым основные процессы будут представлять:

изобара – горизонтальная прямая, n=0, Р=const;

изохора – вертикальная прямая, n=, v=const;

изотерма – равнобокая гипербола с осями асимптот в виде осей координат Р и v, т.к. при n=1 уравнение изотермы p=const/v, причем константа – величина положительная;

адиабата – неравнобокая гипербола, т.к. при n=к>1 уравнение адиабаты Р=const/v^к, адиабата круче изотермы.

Политропы при 0 < n < + в соответствии с уравнением Р=const/vⁿ представляют собой гиперболы, крутизна которых возрастает с увеличением показателя n. Самая крутая из них – изохора (n=), а самая пологая – изобара (n=0). Все политропы с положительным показателем n>0 располагаются во II и IV квадрантах относительно точки А.

Политропы с 1 < n < к располагаются между изотермой и изобарой и имеют отрицательную теплоемкость в соответствии с уравнением (4.9). В таких процессах при подводе теплоты температура газа уменьшается, а при отводе теплоты от газа его температура увеличивается. Примером такого процесса может служить сжатие газа (l<0) в цилинре с поршнем при его внешнем охлаждении (q<0), когда величина работы сжатия по модулю больше величины, отведеной от газа теплоты |l|>|q|, т.е. в этом случае будет увеличение внутренней энергии (u=q-l>0) и температуры газа при отводе от него теплоты.

Политропы с отрицательным показателем - < n < 0 – это кривые, которые в соответствии с уравнением Р=constv^-n проходят через начало координат, причем если

n = -1 – это прямая линия,

-1 < n < 0 – кривая выпуклостью вверх,

- < n < -1 – кривая выпуклостью вниз.

При n=-1 теплоемкость процесса имеет среднее арифметическое значение между изобарной и изохорной теплоемкостями: с=(c_p+c_v)/2.

Все политропы с отрицательным показателем n<0 располагаются в I и III квадрантах относительно точки А.

В диаграмме P,v изотермы, а также адиабаты идеального газа представляют собой непересекающиеся гиперболы (рис.4.3). Однако они не являются эквидистантными кривыми, поскольку расстояние между ними по оси v будет изменяться в зависимости от численного значения давления.

Так для двух изотерм Т₁=const и Т₂=const расстояние по оси v будет определяться по изобаре P=const выражением

v₂ - v₁ = R(T₂-T₁)/P.

В соответствии с этим выражением при увеличении давления расстояние между двумя изотермами по оси v уменьшается, если Т₂>Т₁. Кроме этого, исходя из уравнения изобары Т₂/Т₁=v₂/v₁, изотермы в P,v- диаграмме находятся одна над другой (или одна правее другой) по в озрастающей, т.к. Т₂>T₁ только при v₂>v₁.

Для двух адиабат s₁=const и s₂=const расстояние между ними по оси v можно оценить по любой изобаре P=const. Исходя из уравнений адиабатного и изобарного процессов,

Pv^к = const и s₂ - s₁ = c_pLn(v₂/v₁) ,

следует, что точке на данной изобаре с большим объемом будет соответствовать большее значение энтропии, т.е. при v₂>v₁ будет s₂>s₁. Следовательно, в Р,v- диаграмме адиабаты (изоэнтропы) чем выше (или правее), тем большее значение энтропии им соответствует.

Для изоэнтропы s₂ в уравнении Pv^к=const=А₂ константа А₂ будет больше, чем константа А₁ изоэнтропы s₁ в уравнении Pv^к=const=А₁, поскольку при Р=const Pv₂^к-Pv₁^к=А₂-А₁>0. Выразив объем из уравнения адиабаты v=const/P^1/к, получим расстояние между двумя адиабатами вдоль оси v в виде выражения

.

Из этого выражения видно, что с увеличением давления расстояние между адиабатами вдоль оси v в P,v- диаграмме уменьшается, т.е. адиабаты в Р,v- диаграмме не являются эквидистантными кривыми, хотя на всем своем протяжении не пересекаются друг с другом.