2.4 Адіабатний (ізоентропний) процес

Під адіабатним процесом розуміють процес зміни стану робочого тіла без теплообміну із навколишнім середовищем , тобто основною умовою протікання такого процесу є:

dQ = 0 . (3.27)

В оборотному процесі dS=dQ/T, таким чином адіабатний оборотний процес є ізоентропним процесом.

Розглянемо взаємне розташування адіабати та ізотерми (рис. 3.4).

Рисунок 2.4. P-V- та T-S-діаграми адіабатного процесу 1-2. Жирною пунктирною лінією на P-v-діаграмі зображено графік ізотермічного процесу.

3. Закони термодинаміки. Ентропія.

3.1. Перший закон термодинаміки.

Енергія в природі не виникає з нічого й нікуди не зникає, вона лише переходить з однієї форми в іншу. Цей фундаментальний закон природи набув логічної форми першого закону термодинаміки: зміна внутрішньої енергії системи у разі переходу з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил і кількості теплоти, переданої системі:

ΔU = A + Q

Перший закон термодинаміки записують часто в іншому вигляді, оскільки на практиці основний інтерес являє не робота А зовнішніх сил, здійснена над газом, а робота А_r, здійснена газом над зовнішніми тіла­ми. Очевидно, А_r = -А. Крім того, шуканою величиною часто і є кількість теплоти Q. Якщо газ сам здійснює роботу внаслідок теплопередачі, то перший закон термодинаміки має вигляд: кількість теплоти, передана системі, витрачається на зміну внутрішньої енергії й здійснення системою роботи над зовнішніми тілами:

Q = ΔU + Ar

Необхідно зазначити, що величини, які входять у ці формули, можуть мати як знак «+», так і «—». Наприклад, (Q > 0, якщо система добуває енергію шляхом теплообміну; Q < О , якщо система віддає енергію цим же

способом. Знак роботи А (або А_r.) залежить від знака ΔU .

В рамках молекулярно-кінетичної теорії внутрішня енергія одноатомного ідеального газу визначається формулою

,

де   — стала Больцмана. Вона є середньою кінетичною енергією атома, помноженою на кількість атомів[2].

Ста́ла Бо́льцмана (  або  ) — фізична стала, що визначає зв'язок між температурою та енергією. Названа на честь австрійського фізика Людвіга Больцмана, який зробив великий вклад в статистичну фізику, у якій ця стала займає ключову позицію. Її експериментальне значення в системі СІ дорівнює[2]. k= 1.3806488(13)×10⁻²³ Дж·K⁻¹

Для одного моля газу

,

де R — газова стала. 8.31 Дж/моль*К.

Наслідки першого закону термодинаміки.

1. Ізотермічний процес. Під час ізотермічного процесу (Т = соnst)

зміна температури ΔT = 0 . Тому внутрішня енергія ідеального газу не міняється (ΔU = 0). Відповідно до рівняння стану ідеального газу рV = соnst, тобто у разі підведення до газу деякої кількості теплоти (досить повільно) змінюються тільки тиск і об'єм, а внутрішня енергія лишається незмінною.

Таким чином, з виразу Q = ΔU + A_r випливає, що

Q = Ar

під час ізотермічного процесу вся підведена кількість теплоти витра­чається на роботу, здійснену газом проти зовнішнього тиску.

Якщо процес являє собою ізотермічне стискання, то A_r < 0 і Q = - A_r . Або інакше: А_r = - Q.

Негативне значення Q вказує на те, що газ під час стискання віддає тепло, причому в кількості, що дорівнює здійсненій роботі.

2. Ізохорний процес. Під час ізохорного процесу об'єм газу не кмінюється (ΔU = 0) і тому робота газу дорівнює нулю (A_r = рΔV = 0) .

Таким чином, під час ізохорного процесу внутрішня енергія змінюється тільки внаслідок теплообміну.

ΔU = Q

Причому збільшення тиску вимагає припливу теплоти, зменшення тиску віддачі теплоти.