Исследование изохорного процесса

Цель работы – изучение законов идеальных газов и сущности изохорного процесса на основе расчетного и экспериментального определения изменения параметров рабочего тела в изохорном процессе.

Краткие теоретические сведения

При изучении газовых законов необходимо усвоить особенности основных термодинамических процессов и изменения параметров рабочего тела.

Изменение состояния рабочего тела, при котором параметры состояния (все или некоторые) изменяются, но масса рабочего тела, совершающего процесс, остается неизменной, называется термодинамическим процессом или просто процессом.

В термодинамике идеальных газов рассматриваются упрощенные, идеализированные процессы, которые могут быть теоретически исследованы. Основными характерными чертами таких упрощенных процессов являются их равновесность и обратимость.

Различают равновесное и неравновесное состояния термодинамической системы. Состояние, в которое приходит система при постоянных внешних условиях, характеризуемое неизменностью во времени термодинамических параметров и отсутствием в системе потоков вещества и теплоты, называют равновесным. Непрерывная последовательность равновесных состояний системы образует равновесный процесс.

Обратимыми называются процессы, после совершения которых в прямом, а потом в обратном направлении вся система тел, принимавших участие в процессе, возвращается в свое первоначальное состояние.

Все обратимые процессы – равновесные.

Для всех процессов устанавливается общий метод исследований, который заключается в следующем:

1. Выводится уравнение процесса, устанавливающее закономерность изменения параметров рабочего тела в процессе.

2. Изображается процесс в координатах и .

3. Устанавливается зависимость между основными параметрами рабочего тела в начале и конце процесса.

4. Определяется изменение удельных внутренней энергии, энтальпии и энтропии.

5. Вычисляется удельная работа изменения объема газа.

6. Выявляются особенности преобразования подведенной к рабочему телу теплоты, распределения ее между изменением внутренней энергии и совершаемой рабочим телом внешней работой.

7. Выводится уравнение первого закона термодинамики процесса.

При решении этих задач используют уравнения состояния идеального газа и первого закона термодинамики.

Процесс преобразования тепла в работу осуществляется рабочим телом. Сведения о поведении рабочих тел в термодинамических процессах составляют основу их анализа, который необходимо проводить по расчетным и экспериментальным данным.

Процесс, протекающий при постоянном удельном объеме, называют изохорным (dυ=0, или υ=const). График изохорного процесса называется изохорой.

Внешняя работа газа при υ=const равна нулю, так как dυ=0. Следовательно, l=0.

Уравнение изохоры υ=const, следовательно, изохорный процесс в координатах - вертикальная прямая. При подводе теплоты давление увеличивается, при отводе – уменьшается. В координатах изохора изображается логарифмической кривой. При подводе теплоты удельная энтропия увеличивается, при отводе – уменьшается.

Вся подведенная теплота, согласно первому закону термодинамики, идет на изменение внутренней энергии рабочего тела, которая определяется по формулам:

.

Количество тепла, подведенного к воздуху от электронагревателя за секунду, может быть определено из соотношения

Р = 0,86 I U ,

где: I – сила тока, А

U – напряжение на зажимах нагревателя, В.

При стационарном режиме Q = Р.

Расчет параметров изохорного процесса производится из соотношения

.

Необходимо также определить изменение энтропии в изохорном процессе по формулам

; (18)

(19)

На диаграмме изохора располагается круче изобары. В этом можно убедиться из уравнения (18) и уравнения изменения энтропии в изобарном процессе

Действительно, если одинаковы начальные и конечные температуры процессов, то удельная энтропия в изобарном процессе будет изменяться в большей степени, чем в изохорном, так как с_р>с_v.

Количество воздуха, находящегося в цилиндре и участвующего в процессе, можно найти из уравнения состояния идеального газа

, откуда .

Изменение удельных внутренней энергии и энтальпии справедливо для всех термодинамических процессов и при постоянной теплоемкости формулы имеют вид

∆u=u₂-u₁=c_v(T₂-T₁),

∆i=i₂-i₁=c_p(T₂-T₁)

за исключением изотермического процесса, где T=const и, следовательно , ∆u=0 и ∆i=0.

Таким образом, вся удельная теплота, подводимая в изохорном процессе, затрачивается на изменение удельной внутренней энергии.