Adiabatický proces
V termodynamice , An adiabatický proces je transformace provádějí bez přenosu tepla dochází mezi systémem studované a jeho životní prostředí, to znamená, že bez tepelné výměny mezi oběma médii.
Definice
Etymologie
Slovo „adiabatické “ bylo vytvořeno z řeckého ἀδιάϐατος / adiabatos („neprůchodné“), odvozeno od διαϐαίνω / diabaínō , „překračovat, překračovat“.
Adiabatický materiál je nepropustný pro teplo . „Adiabatická skříň“ brání jakékoli výměně tepla mezi systémem a jeho prostředím. V tomto smyslu jsou slova „atherm“ a „athermane“ synonymem.
Termodynamické transformace , při kterém studoval systém nevyměňuje žádné teplo se svým okolím, se nazývá „adiabatické transformace“ či „adiabatický proces“. V tomto smyslu je slovo „athermal“ synonymem.
„Adiabatická křivka“, nebo jednodušeji „adiabatická“, je křivka představující adiabatickou transformaci v termodynamickém diagramu .
Tělo, které umožňuje průchod tepla, se nazývá „diathermane“, „diatherm“ nebo „diathermic“. Termín „diabatic“ se někdy používá, zejména v meteorologii .
Adiabatický proces
První princip termodynamiky říká, že energie je zachována. U fyzického systému makroskopicky v klidu (odchylka kinetické energie je nulová) se odchylka vnitřní energie systému rovná energii vyměněné s vnějším prostředím. Tato výměna může být provedeno v uspořádané způsobem podle práce ze sil (převod mechanické energie), nebo neuspořádané pomocí tepelného přenosu z tepla (přenosu tepelné míchání energie). Pro elementární transformaci (tj. Způsobující malou variaci parametrů popisujících systém) pak máme:
U{\ displaystyle U} Ž{\ displaystyle W} Q{\ displaystyle Q}
dU=δŽ+δQ{\ displaystyle \ mathrm {d} U = \ delta W + \ delta Q}s:
-
dU{\ displaystyle \ mathrm {d} U}variace vnitřní energie ;U{\ displaystyle U}
-
δQ{\ displaystyle \ delta Q}přenos tepla elementární během zpracování (přenos tepla );
-
δŽ{\ displaystyle \ delta W}základní pracovní sil působících na systém v průběhu transformace.
Adiabatický proces je tedy transformace bez jakéhokoli přenosu tepla, tj . Variace vnitřní energie systému se rovná jedinému přenosu mechanické energie působením sil působících na systém:
δQ=0{\ displaystyle \ delta Q = 0}
Adiabatický proces δQ=0;dU=δŽ{\ displaystyle \ delta Q = 0 \ quad; \ quad \ mathrm {d} U = \ delta W}
|
Isentropický proces, reverzibilita
Druhý princip termodynamický zavádí entropie definována Clausiova nerovnosti:
S{\ displaystyle S}
Entropie, Clausiova nerovnost:
dS≥δQT{\ displaystyle \ mathrm {d} S \ geq {\ delta Q \ přes T}}
se na absolutní teplotě .
T{\ displaystyle T}
Transformace je:
-
reverzibilní, pokud ;dS=δQT{\ displaystyle \ mathrm {d} S = {\ delta Q \ přes T}}
- nevratný pokud .dS>δQT{\ displaystyle \ mathrm {d} S> {\ delta Q \ přes T}}
Diferenciál vnitřní energie se poté zapíše:
dU=δŽ+TdS-[TdS-δQ]{\ displaystyle \ mathrm {d} U = \ delta W + T \, \ mathrm {d} S- \ vlevo [T \, \ mathrm {d} S- \ delta Q \ vpravo]}Termín může být způsoben chemickou reakcí nebo neobnovitelnou silou, jako je síla tření nebo viskozita rozptýlená v teple.
-[TdS-δQ]≤0{\ displaystyle - \ left [T \, \ mathrm {d} S- \ delta Q \ right] \ leq 0}
Isentropic proces je transformace, při kterém entropie nemění, a to buď . Lze prokázat, že:
dS=0{\ displaystyle \ mathrm {d} S = 0}
- izentropický a reverzibilní proces je adiabatický: máme a odkud ;dS=0{\ displaystyle \ mathrm {d} S = 0}dS=δQ/T{\ displaystyle \ mathrm {d} S = \ delta Q / T}δQ=0{\ displaystyle \ delta Q = 0}
- izentropický a nevratný proces není adiabatický: máme a odkud ;dS=0{\ displaystyle \ mathrm {d} S = 0}dS>δQ/T{\ displaystyle \ mathrm {d} S> \ delta Q / T}δQ<0{\ displaystyle \ delta Q <0}
- adiabatický a reverzibilní proces je isentropický: máme a odkud ;δQ=0{\ displaystyle \ delta Q = 0}dS=δQ/T{\ displaystyle \ mathrm {d} S = \ delta Q / T}dS=0{\ displaystyle \ mathrm {d} S = 0}
- adiabatický a nevratný proces není izentropický: máme a odkud .δQ=0{\ displaystyle \ delta Q = 0}dS>δQ/T{\ displaystyle \ mathrm {d} S> \ delta Q / T}dS>0{\ displaystyle \ mathrm {d} S> 0}
Mezi pojmy „adiabatický“ a „isentropický“ tedy neexistuje rovnocennost. Transformace je adiabatická i isentropická, pouze pokud je reverzibilní.
Aplikace na ideální plyny
Obecný případ
Pro ideální plyn vystavený pouze tlakovým silám v reverzibilní adiabatické transformaci máme:
dU=δŽ+δQ=δŽ=-PdPROTI{\ displaystyle \ mathrm {d} U = \ delta W + \ delta Q = \ delta W = -P \, \ mathrm {d} V}s:
-
P{\ displaystyle P} tlak;
-
PROTI{\ displaystyle V} objem.
První zákon Joule uvádí, že vnitřní energie ideálního plynu závisí jen na teplotě:
dU=VSPROTIdT{\ displaystyle \ mathrm {d} U = C_ {V} \, \ mathrm {d} T}s:
Získáváme:
Reverzibilní adiabatický proces pro dokonalý plyn
VSPROTIdT+PdPROTI=0{\ displaystyle C_ {V} \, \ mathrm {d} T + P \, \ mathrm {d} V = 0}
Laplaceův zákon
Zákon o ideálním plynu a Mayerův vztah :
PPROTI=neRT{\ displaystyle PV = nRT}
VSP-VSPROTI=neR{\ displaystyle C_ {P} -C_ {V} = nR}
dát :
PPROTI=(VSP-VSPROTI)T=VSPROTI(y-1)T{\ displaystyle PV = \ left (C_ {P} -C_ {V} \ right) \, T = C_ {V} \, \ left (\ gamma -1 \ right) \, T}s:
Uvažováním a jako konstanty rozlišujeme:
VSPROTI{\ displaystyle C_ {V}}y{\ displaystyle \ gamma}
dPPROTIy-1=VSPROTIdT{\ displaystyle {\ mathrm {d} PV \ nad \ gamma -1} = C_ {V} \, \ mathrm {d} T}Proto vzhledem k obecnému výrazu získanému pro adiabatické procesy ideálního plynu:
VSPROTIdT=-PdPROTI=dPPROTIy-1{\ displaystyle C_ {V} \, \ mathrm {d} T = -P \, \ mathrm {d} V = {\ mathrm {d} PV \ nad \ gamma -1}}
-ydPROTIPROTI=dPP{\ displaystyle - \ gamma \, {\ mathrm {d} V \ přes V} = {\ mathrm {d} P \ přes P}}
Když budeme uvažovat jako konstantní, získáme integrací Laplaceova zákona :
y{\ displaystyle \ gamma}
Laplaceův zákon
PPROTIy=konstantní{\ displaystyle P \, V ^ {\ gamma} = {\ text {stálý}}}nebo nebo
P∝PROTI-y{\ displaystyle P \ propto V ^ {- \ gamma}}PROTI∝P-1y{\ displaystyle V \ propto P ^ {- {1 \ nad \ gamma}}}
Pokud je konstanta větší než 1, reverzibilní adiabatická transformace způsobí, že se tlak bude měnit v opačném směru objemu: tlak se zvyšuje, když objem klesá.
y{\ displaystyle \ gamma}
Kombinací Laplaceova zákona se zákonem ideálního plynu získáme další formulace reverzibilního adiabatického zákona evoluce.
P1-yTy=konstantní{\ displaystyle P ^ {1- \ gamma} \, T ^ {\ gamma} = {\ text {stálá}}}nebo nebo
P∝Tyy-1{\ displaystyle P \ propto T ^ {\ gama \ nad \ gama -1}}T∝P1-1y{\ displaystyle T \ propto P ^ {1- {1 \ nad \ gamma}}}
Reverzibilní adiabatická transformace způsobí, že tlak se mění ve stejném směru jako teplota: tlak se zvyšuje, když se teplota zvyšuje.
TPROTIy-1=konstantní{\ displaystyle T \, V ^ {\ gamma -1} = {\ text {stálá}}}nebo nebo
T∝PROTI1-y{\ displaystyle T \ propto V ^ {1- \ gamma}}PROTI∝T11-y{\ displaystyle V \ propto T ^ {1 \ nad 1- \ gama}}
Reverzibilní adiabatická transformace způsobí, že se objem bude měnit v opačném směru než teplota: teplota se zvyšuje, když objem klesá.
Pro monoatomový ideální plyn , jako jsou vzácné plyny (argon atd. ), Při jakékoli teplotě. Pro křemelinu ( dusík a kyslík , hlavní složky vzduchu ) za standardních podmínek teploty a tlaku (CNTP) .
y=5/3≈1,67{\ displaystyle \ gamma = 5/3 \ přibližně 1 {,} 67}y=7/5=1,4{\ displaystyle \ gamma = 7/5 = 1 {,} 4}
Práce plynu během reverzibilní adiabatické komprese
Práce vytvořená adiabatickým procesem mezi počátečním a konečným stavem stojí za to:
1{\ displaystyle 1}2{\ displaystyle 2}
Ž1→2=-∫12PdPROTI=∫12dPPROTIy-1{\ displaystyle W_ {1 \ až 2} = - \ int _ {1} ^ {2} P \, \ mathrm {d} V = \ int _ {1} ^ {2} {\ mathrm {d} PV \ nad \ gamma -1}}tedy s ohledem na konstantní:
y{\ displaystyle \ gamma}
Práce vytvořená reverzibilním adiabatickým procesem
Ž1→2=P2PROTI2-P1PROTI1y-1=neR(T2-T1)y-1{\ displaystyle W_ {1 \ až 2} = {P_ {2} V_ {2} -P_ {1} V_ {1} \ přes \ gamma -1} = {nR \, \ vlevo (T_ {2} -T_ {1} \ vpravo) \ nad \ gamma -1}}
s:
-
P1{\ displaystyle P_ {1}}, A počáteční tlak, objem a teplota;PROTI1{\ displaystyle V_ {1}}T1{\ displaystyle T_ {1}}
-
P2{\ displaystyle P_ {2}}, A konečný tlak, objem a teplotu.PROTI2{\ displaystyle V_ {2}}T2{\ displaystyle T_ {2}}
Takto vypočítaná práce představuje změnu vnitřní energie plynu. Prostředí mimo plyn obnovuje práci .
Žext=∫12PdPROTI=-Ž1→2{\ displaystyle W _ {\ text {ext}} = \ int _ {1} ^ {2} P \, \ mathrm {d} V = -W_ {1 \ až 2}}
Další aplikace
Energetická účinnost adiabatického procesu
Energetická účinnost je definována jako poměr mezi prací poskytované systémem a energie slouží pro práci.
V adiabatickém postupu, podle definice je vnitřní energie variace systému je rovna pouze přenos mechanické energie u práce z sil aplikovaných na systému, protože přenáší teplo jsou nulové, a proto:
δŽdU=1{\ displaystyle {\ delta W \ over \ mathrm {d} U} = 1}To znamená, že energetická účinnost adiabatického procesu je ze své podstaty 100%, nebo že během adiabatického procesu nedochází ke ztrátě nebo přidání tepelné energie. To předpokládá zejména to, že nedochází k žádnému tření nebo viskozitě , silám, jejichž nevratná práce rozptyluje energii ve formě tepla. Adiabatický proces je proto ideálním případem.
Carnotův cyklus
Tepelný motor je zařízení pro výměnu práci a množství tepla s vnějším prostředím. Tato výměna se provádí cyklem opakovaným mnohokrát. Dochází k řadě termodynamických transformací, z nichž některé jsou adiabatické.
Například Carnotův cyklus odpovídá množině dvou adiabatických transformací a dvou izotermických transformací . Během tohoto cyklu plyn prochází v tomto pořadí: reverzibilní izotermická expanze, reverzibilní adiabatická expanze (tedy izentropická), reverzibilní izotermická komprese a reverzibilní adiabatická komprese (proto izentropická).
Adiabatické chlazení
Adiabatické chlazení je metoda chlazení vzduchu založená na odpařování vody. Tato technika se také nazývá „bioklimatizace“, „chlazení vzduchem odpařováním“ nebo „přírodní klimatizace“.
Horký a suchý vzduch, který prochází aerosolem vody, vyvolává částečné odpařování tohoto. Energie potřebná pro odpařování vody se získává ze vzduchu, který je tak ochlazován a zvlhčován. S výjimkou stříkající vody, která musí být do takového systému přiváděna, je jedinou spotřebovanou energií práce ventilátoru potřebná k cirkulaci vzduchu proudem vody.
Poznámky a odkazy
Poznámky
-
Lexikografické a etymologické definice „adiabatismu“ z počítačové pokladnice francouzského jazyka na webových stránkách Národního centra pro textové a lexikální zdroje .
-
„ adiabatický “ , Larousseův slovník .
-
Lexikografické a etymologické definice „adiabatique“ z počítačové pokladnice francouzského jazyka na webových stránkách Národního centra pro textové a lexikální zdroje .
-
Infelta a Graetzel , str. 3.
-
Komise pro obohacení francouzského jazyka , „ adiabatique “ , FranceTerme , ministerstvo kultury (přístup k 15. březnu 2021 ) .
-
Komise pro obohacení francouzského jazyka , „ adiabatique “ , FranceTerme , ministerstvo kultury (přístup k 15. březnu 2021 ) .
-
Lexikografické a etymologické definice pojmu „diatherme“ z počítačové pokladnice francouzského jazyka na webových stránkách Národního střediska pro textové a lexikální zdroje .
-
„ Diatherme “ , slovník Larousse .
-
komise pro obohacení francouzského jazyka , „ diathermane “ , FranceTerme , Ministerstvo kultury (přístup 15. března 2021 ) .
-
komise pro obohacení francouzského jazyka , „ diatherme “ , FranceTerme , Ministerstvo kultury (přístup 15. března 2021 ) .
-
G. Oscar Villeneuve, Glosář meteorologie a klimatologie , Presses Université Laval, kol. "Choronoma Series",1980, 680 s. ( ISBN 9782763768960 , číst online ) , s. 359.
-
Météo-France La Réunion , „ Adiabatique (transformace) “ , na meteofrance.re (přístup k 16. březnu 2021 ) .
-
Météo-France La Réunion , „ Diabatique “ , na meteofrance.re (přístup k 16. březnu 2021 ) .
-
TV5MONDE , „ Diabatique “ , na langue-francaise.tv5monde.com (přístup 15. března 2021 ) .
-
Faverjon , str. 85.
-
Infelta a Graetzel , str. 36.
-
Infelta a Graetzel , str. 38-40.
-
Infelta a Graetzel , str. 47.
-
Infelta a Graetzel , str. 48.
-
Faverjon , str. 85-86.
-
Faverjon , str. 86.
-
Infelta a Graetzel , str. 33-34.
-
Alain Garnier, Budování pozitivní energie: Jak ovládat energii v domácnosti? , Editions Eyrolles, kol. "Energetická účinnost budov",2012, 296 s. ( ISBN 9782212162110 , číst online ) , s. 176.
-
Jack Bossard, Christian Feldmann a Jean Hrabovsky, praxe klimatizace: ve 24 listech nástrojů , Dunod,2020, 264 s. ( ISBN 9782100813155 , číst online ) , s. 120 (list č. 13 - adiabatické chlazení).
-
Manfred Hegger, Stavebnictví a energetika: architektura a udržitelný rozvoj , PPUR Presses polytechniques,2011, 280 s. ( ISBN 9782880747961 , číst online ) , s. 130.
Bibliografie
-
Pierre Infelta a Michael Graetzel, Termodynamika: Principy a aplikace , Boca Raton, Florida, BrownWalker Press,2006, 484 s. ( ISBN 1-58112-995-5 , číst online ).
-
Georges Faverjon, Thermodynamique MPSI , Editions Bréal, kol. "The New Bréal Precisions",2003, 192 s. ( ISBN 9782749502304 , číst online ).
Související články