Что такое показатель адиабаты
Показатели адиабаты: определение и процесс
При изучении поведения газов в физике много внимания уделяется изопроцессам, то есть таким переходам между состояниями системы, во время которых сохраняется один термодинамический параметр. Тем не менее, существует газовый переход между состояниями, который не является изопроцессом, но который играет важную роль в природе и технике. Речь идет об адиабатическом процессе. В данной статье рассмотрим его подробнее, акцентируя внимание на том, что такое показатель адиабаты газа.
Адиабатический процесс
Вам будет интересно: Задачи социологии: предметы, основные методы, цели и развитие
Согласно термодинамическому определению, под адиабатическим процессом понимают такой переход между начальным и конечным состояниями системы, в результате которого не существует обмена теплом между внешней средой и изучаемой системой. Такой процесс возможен при наличии следующих двух условий:
В технике адиабатный переход используют как для разогрева газа при его резком сжатии, так и для его охлаждения во время быстрого расширения. В природе рассматриваемый термодинамический переход проявляет себя, когда воздушная масса поднимается или опускается по склону холма. Такие подъемы и спуски приводят к изменению точки росы в воздухе и к возникновению осадков.
Уравнение Пуассона для адиабаты идеального газа
Вам будет интересно: Что такое плиз? Молодежный сленг
Идеальный газ представляет собой систему, в которой частицы движутся хаотично с большими скоростями, не взаимодействуют друг с другом и являются безразмерными. Такая модель является очень простой с точки зрения ее математического описания.
Согласно определению адиабатного процесса, можно записать следующее выражение в соответствии с первым законом термодинамики:
Иными словами, газ, расширяясь или сжимаясь, совершает работу P*dV за счет соответствующего изменения своей внутренней энергии dU.
В случае идеального газа, если воспользоваться уравнением его состояния (закон Клапейрона-Менделеева), то можно получить следующее выражение:
Это равенство называется уравнением Пуассона. Люди, которые знакомы с физикой газов, заметят, что если величина γ будет равна 1, то уравнение Пуассона перейдет в закон Бойля-Мариотта (изотермический процесс). Однако такое преобразование уравнений невозможно, поскольку γ для любого типа идеального газа больше единицы. Величина γ (гамма) называется показателем адиабаты идеального газа. Рассмотрим подробнее его физический смысл.
Что такое показатель адиабаты?
Поскольку γ всегда больше одного, то он показывает, во сколько раз изобарная теплоемкость изучаемой газовой системы превышает аналогичную изохорную характеристику.
Теплоемкости CP и CV
Чтобы определить показатель адиабаты, следует хорошо понимать смысл величин CP и CV. Для этого проведем следующий мысленный эксперимент: представим, что газ находится в закрытой системе в сосуде с твердыми стенками. Если нагревать сосуд, то все сообщенное тепло в идеальном случае перейдет во внутреннюю энергию газа. В такой ситуации будет справедливо равенство:
Величина CV определяет количество теплоты, которое следует передать системе, чтобы изохорно нагреть ее на 1 К.
Теперь предположим, что газ находится в сосуде с подвижным поршнем. В процессе нагрева такой системы поршень будет перемещаться, обеспечивая поддержание постоянного давления. Поскольку энтальпия системы в таком случае будет равна произведению изобарной теплоемкости на изменение температуры, то первый закон термодинамики примет вид:
Отсюда видно, что CP>CV, так как в случае изобарного изменения состояний необходимо расходовать тепло не только на повышение температуры системы, а значит, и ее внутренней энергии, но и на выполнение газом работы при его расширении.
Величина γ для газа идеального одноатомного
Самой простой газовой системой является одноатомный идеальный газ. Предположим, что мы имеет 1 моль такого газа. Напомним, что в процессе изобарного нагрева 1 моль газа всего на 1 Кельвин, он совершает работу, равную величине R. Этим символом принято обозначать универсальную газовую постоянную. Она равна 8,314 Дж/(моль*К). Применяя последнее выражение в предыдущем пункте для данного случая, получаем такое равенство:
Откуда можно определить значение изохорной теплоемкости CV:
Известно, что для одного моль одноатомного газа значение изохорной теплоемкости составляет:
Из последних двух равенств следует значение показателя адиабаты:
Отметим, что величина γ зависит исключительно от внутренних свойств самого газа (от многоатомности его молекул) и не зависит от количества вещества в системе.
Зависимость γ от числа степеней свободы
Выше было записано уравнение для изохорной теплоемкости одноатомного газа. Появившийся в нем коэффициент 3/2 связан с количеством степеней свободы у одного атома. У него существует возможность двигаться только в одном из трех направлений пространства, то есть существуют только поступательные степени свободы.
Если система образована двухатомными молекулами, то к трем поступательным добавляются еще две вращательные степени. Поэтому выражение для CV приобретает вид:
Тогда значение γ будет равно:
Отметим, что на самом деле существует у двухатомной молекулы еще одна колебательная степень свободы, но при температурах в несколько сотен Кельвин она не задействуется и не вносит вклад в теплоемкость.
Если молекулы газа состоят из более, чем двух атомов, тогда у них будет 6 степеней свободы. Показатель адиабаты при этом будет равен:
Таким образом, при увеличении числа атомов в молекуле газа величина γ уменьшается. Если построить график адиабаты в осях P-V, то можно заметить, что кривая для одноатомного газа будет вести себя более резко, чем для многоатомного.
Показатель адиабаты для смеси газов
Выше мы показали, что величина γ от химического состава газовой системы не зависит. Однако она зависит от количества атомов, которое составляет ее молекулы. Предположим, что система состоит из N компонент. Атомная доля компонента i в смеси равна ai. Тогда для определения показателя адиабаты смеси можно использовать следующее выражение:
Например, это выражение можно применить для определения γ воздуха. Поскольку он состоит на 99 % из двухатомных молекул кислорода и азота, то его показатель адиабаты должен быть очень близок к значению 1,4, что подтверждается при экспериментальном определении этой величины.
Новое в блогах
3. Приглашаю к сотрудничеству по разработке основных положений электромагнитной теории теплоты всех желающих
4. Продолжение следует.
Хорошо известно, что при сжатии газа повышается его давление и его температура. Соответственно, при расширении газа температура и давление падают. Если при этом система (сжимаемый газ и ёмкость, в котором этот газ содержатся) не обменивается тепловой энергией друг с другом и с окружающим пространством, то такие процессы сжатия и расширения называются адиабатными (адиабатическими).
Современная теоретическая физика (статистическая физика, статистическая механика, физическая кинетика) до сих пор объясняет изменение давления и температуры газов работой, которая совершается над газами при их сжатии или которую совершает сам газ при расширении. См, например: ( http://ru.wikipedia.org/wiki/%C0%E4%E8%E0%E1%E0%F2%E8%F7%E5%F1%EA%E8%E9_%EF%F0%EE%F6%E5%F1%F1 )
Для идеальных газов, с которыми так любит иметь дело современная теоретическая физика, теплоёмкости которых считаются постоянными, характер изменения давления и температуры определяется простейшими уравнениями:
p= const /V^ k =co nst V^ (- k ) ,
p – давление газа,
V – объем, занимаемый газом,
T – температура газа (абсолютная),
k – показатель адиабаты.
Тому же самому учат и все современные школьные учебники и курсы лекций по общей физике.
Современная теоретическая физика считает, что величина показателя адиабаты k равна 5/3 для одноатомных газов, 7/5 – для двухатомных и 4/3 – для трёхатомных газов. Изменение величины показателя адиабаты принято обосновывать количеством неких «степеней свободы» у газообразных молекул. Хотя абсолютно никакой логики и никакого физического смысла в попытке связать эти самые «степени свободы» с величиной показателя адиабаты нет.
Что же происходит при адиабатных процессах с газами согласно разрабатываемой мной электромагнитной теории теплоты (ЭТТ).
Согласно ЭТТ агрегатное состояние вещества определяется текущим распределением электронов атомов, входящих в состав молекулы. Существует три основным электронных уровня – газообразующий, в котором может находиться не более двух электронов, гидрогенный («жидкостной») и кристаллообразующий, в группах которых может содержаться максимум по 8 электронов. Таковы на сегодняшний день представления ЭТТ о строении атомов и молекул, сделанные на основе свойств элементов периодической таблицы Менделеева.
Молекула реального газа гелия (He), более всех других подходящего на роль «идеального» газа, представлена на рис. 1. Она имеет одноатомное молекулярное ядро, в состав которого входит два протона и два нейтрона, и два электрона, которые при нормальных условиях располагаются на газообразующем уровне – вращаясь по замысловатым траекториям вокруг молекулярного ядра, они создают вокруг него сферическое электронное «облако».
Рис. 1. Газообразная молекула He (гелия)
согласно электромагнитной теории теплоты.
Электроны, вращаясь вокруг молекулярного ядра, создают т.н. «электронное облако», которое индуцирует электрическое и магнитное поля. Эти поля, взаимодействуя с электрическими и магнитными полями, индуцируемыми электронами соседних молекул, и заставляют газообразные молекулы отталкиваться друг от друга, как одноимённые электрические заряды и одинаковые полюса магнитов. Эти силы отталкивания молекул друг от друга и приводят ко всем хорошо известным свойствам газов занимать весь предоставленный объём, рассеиваться в вакууме (космическом пространстве), обладать упругостью, создавать, вследствие действия силы притяжения к Земле, атмосферное давление, передавать давление в разных направлениях, например, звуковые волны и т.д. и т.п.
Рис. 2. Адиабатное сжатие газа
согласно электромагнитной теории теплоты.
Вследствие сжатия газообразные молекулы гелия уплотнились, расстояния между молекулярными ядрами уменьшились. Соответственно, главные эквипотенциальные поверхности полей молекул сократились в размерах, – что наглядно изображено на рис. 2.
Кстати, рис. 2 наглядно отображает характер уплотнения молекул. Хотя сперва кажется, будто бы я просто-напросто не нарисовал половину молекул внутри цилиндра с поршнем. Присмотритесь внимательно – в каждом ряду молекул на рисунке справа – 9 штук, а слева – уже 11. Я не ошибся. При уменьшении объёма вдвое расстояние между молекулами уменьшается всего на одну пятую часть – см. рис. 3.
Рис. 3. Изменение соотношений длины ребра и площади грани куба
при уменьшении его объёма вдвое.
То есть, при уменьшении объёма в n раз расстояние между центрами газовых молекул сокращается в куб.корень из < n> раз.
Определим, в какой пропорции увеличиваются силы отталкивания между отдельными молекулами (см. рис. 4).
Рис. 4. Увеличение сил отталкивания между отдельными газовыми молекулами при сжатии газа.
Согласно закона Кулона, величина силы взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов q 1 и q 2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния R между ними:
k в данном случае – коэффициент пропорциональности.
Эта формула универсальна для всех известных полей – и для магнитного и для гравитационного. Для гравитационного поля, например, этой формулой описывается закон всемирного тяготения:
В нашем случае мы под обозначением q 1 и q 2 будем понимать условную сумму всех типов «зарядов», индуцирующих соответствующие поля – и электрического, и магнитного, и пытающегося им противостоять гравитационного (как известно, гравитационное поле создаёт лишь силы притяжения). Таким образом (см. рис. 4), до сжатия газа, отдельно взятые молекулы отталкивались друг от друга с силой:
а после сжатия – с силой:
Таким образом, при уменьшении объёма в n раз (специалисты в области двигателей внутреннего сгорания называют эту величину степенью сжатия) сила отталкивания между отдельными молекулами увеличится в:
Во сколько же раз в этом случае возрастёт давление газа? Чтобы правильно ответить на этот вопрос, вспомним, что же такое давление. Это величина усилия на единицу площади.
После сжатия, как мы определили, усилие каждой отдельной газовой молекулы на внутреннюю поверхность цилиндра увеличилось в <куб. кор из n>^ 2 раз. Но, помимо этого, увеличилось и количество молекул, оказывающих давление на ту же самую площадь внутренней поверхности цилиндра (см. рис. 5).
Рис. 5. При сжатии газа увеличивается количество молекул,
оказывающих давление на единицу площади.
Если количество молекул, оказывающих давление на единицу площади поверхности, увеличилось в <куб. кор из n>^ 2 раз, и сила давления каждой молекулы на поверхность тоже увеличилось в <куб. кор. из n>^ 2 раз, то давление газа при его сжатии в n раз увеличивается в <куб. кор. из n>^ 2 × <куб.кор. из n>^ 2 = <куб.кор. из n>^ 4 = n ^<4> 3> раз.
Таким образом, используя простейшие математические операции и логику, мы получаем показатель адиабаты для одноатомных идеальных газов, равный 4/3.
Как видим, он не соответствует общепринятому на сегодня показателю адиабаты для идеальных одноатомных газов, равному 5/3. Значит, выводы поспешны и не соответствуют истине? Вовсе нет. Ответ на вопрос, какая теория – молекулярно-кинетическая или электромагнитная более адекватно и более точно описывает реальное состояние газовых сред, могут дать только натурные эксперименты. Дело в том, что результаты прямого измерения показателя адиабаты для инертных газов вовсе не соответствуют теоретическим выкладкам, полученным из количества степеней свободы.
Адиабатный процесс
Адиабатным процессом называют процесс, протекающий без подвода и отвода теплоты:
(1.13)
где k — показатель адиабаты — величина, равная отношению удельной изобарной теплоемкости к удельной изохорной теплоемкости:
Для идеальных газов k есть величина постоянная, зависящая от природы газа, т. е. от числа атомов в молекуле газа. В табл. 2 приведены значения теплоемкостей ср и сv согласно молекулярно-кинетической теории.
Таблица 2. Значения удельной изобарной и удельной изохорной теплоемкостей и показателя адиабаты в зависимости от числа атомов в молекуле
| Число атомов | сv | ср | k = ср / сv |
| 2,98 | 4,36 | 1,67 | |
| 4,97 | 6,97 | 1,4 | |
| 5,96 | 7,96 | 1,53 |
Протекание адиабатного процесса без теплообмена с окружающей средой может осуществляться в цилиндре, который имеет идеально теплоизолированные стенки. Однако в природе не существует такой изоляции. Поэтому адиабатный процесс есть идеальный процесс и на практике осуществить его невозможно. Реально можно получить процесс с некоторым приближением к идеальному адиабатному процессу. Например, если процессы протекают очень быстро, т. е. в такое короткое время, что газ не успевает принять или передать теплоту стенкам цилиндра.
На рис. 11 представлена р—v диаграмма адиабатного процесса.
Рис. 11. р— v диаграмма адиабатного процесса
Кривая адиабатного процесса называется адиабатой. Она представляет собой неравнобокую гиперболу.
Зависимость между давлением и объемом для двух точек адиабатного процесса имеет вид
(1.14)
При сравнении формулы (1.14) с формулой (1.13) видно, что при адиабатном расширении газа давление уменьшается интенсивнее, чем при расширении в изотермическом процессе, отсюда следует, что р—v диаграмма адиабаты круче p—v диаграммы изотермы.
Для начального и конечного состояний газа в адиабатном процессе
Разделив почленно второе уравнение на первое, получим
Подставив это выражение в формулу (12), получим
(1.15)
Из уравнения (1.14) следует, что
а из уравнения (1.15)
(1.16)
Изменение внутренней энергии определяется формулой
На основании первого закона термодинамики
Так как процесс адиабатный, то
Учитывая, что А — величина постоянная, можно сделать вывод о том, что удельная работа в адиабатном процессе получается только за счет изменения внутренней энергии рабочего тела.
Показатели адиабаты: определение и процесс
При изучении поведения газов в физике много внимания уделяется изопроцессам, то есть таким переходам между состояниями системы, во время которых сохраняется один термодинамический параметр. Тем не менее, существует газовый переход между состояниями, который не является изопроцессом, но который играет важную роль в природе и технике. Речь идет об адиабатическом процессе. В данной статье рассмотрим его подробнее, акцентируя внимание на том, что такое показатель адиабаты газа.
Адиабатический процесс
Согласно термодинамическому определению, под адиабатическим процессом понимают такой переход между начальным и конечным состояниями системы, в результате которого не существует обмена теплом между внешней средой и изучаемой системой. Такой процесс возможен при наличии следующих двух условий:
В технике адиабатный переход используют как для разогрева газа при его резком сжатии, так и для его охлаждения во время быстрого расширения. В природе рассматриваемый термодинамический переход проявляет себя, когда воздушная масса поднимается или опускается по склону холма. Такие подъемы и спуски приводят к изменению точки росы в воздухе и к возникновению осадков.
Уравнение Пуассона для адиабаты идеального газа
Идеальный газ представляет собой систему, в которой частицы движутся хаотично с большими скоростями, не взаимодействуют друг с другом и являются безразмерными. Такая модель является очень простой с точки зрения ее математического описания.
Согласно определению адиабатного процесса, можно записать следующее выражение в соответствии с первым законом термодинамики:
Иными словами, газ, расширяясь или сжимаясь, совершает работу P*dV за счет соответствующего изменения своей внутренней энергии dU.
В случае идеального газа, если воспользоваться уравнением его состояния (закон Клапейрона-Менделеева), то можно получить следующее выражение:
Это равенство называется уравнением Пуассона. Люди, которые знакомы с физикой газов, заметят, что если величина γ будет равна 1, то уравнение Пуассона перейдет в закон Бойля-Мариотта (изотермический процесс). Однако такое преобразование уравнений невозможно, поскольку γ для любого типа идеального газа больше единицы. Величина γ (гамма) называется показателем адиабаты идеального газа. Рассмотрим подробнее его физический смысл.
Что такое показатель адиабаты?
Поскольку γ всегда больше одного, то он показывает, во сколько раз изобарная теплоемкость изучаемой газовой системы превышает аналогичную изохорную характеристику.
Теплоемкости CP и CV
Чтобы определить показатель адиабаты, следует хорошо понимать смысл величин CP и CV. Для этого проведем следующий мысленный эксперимент: представим, что газ находится в закрытой системе в сосуде с твердыми стенками. Если нагревать сосуд, то все сообщенное тепло в идеальном случае перейдет во внутреннюю энергию газа. В такой ситуации будет справедливо равенство:
Величина CV определяет количество теплоты, которое следует передать системе, чтобы изохорно нагреть ее на 1 К.
Теперь предположим, что газ находится в сосуде с подвижным поршнем. В процессе нагрева такой системы поршень будет перемещаться, обеспечивая поддержание постоянного давления. Поскольку энтальпия системы в таком случае будет равна произведению изобарной теплоемкости на изменение температуры, то первый закон термодинамики примет вид:
Отсюда видно, что CP>CV, так как в случае изобарного изменения состояний необходимо расходовать тепло не только на повышение температуры системы, а значит, и ее внутренней энергии, но и на выполнение газом работы при его расширении.
Величина γ для газа идеального одноатомного
Самой простой газовой системой является одноатомный идеальный газ. Предположим, что мы имеет 1 моль такого газа. Напомним, что в процессе изобарного нагрева 1 моль газа всего на 1 Кельвин, он совершает работу, равную величине R. Этим символом принято обозначать универсальную газовую постоянную. Она равна 8,314 Дж/(моль*К). Применяя последнее выражение в предыдущем пункте для данного случая, получаем такое равенство:
Откуда можно определить значение изохорной теплоемкости CV:
Известно, что для одного моль одноатомного газа значение изохорной теплоемкости составляет:
Из последних двух равенств следует значение показателя адиабаты:
Отметим, что величина γ зависит исключительно от внутренних свойств самого газа (от многоатомности его молекул) и не зависит от количества вещества в системе.
Зависимость γ от числа степеней свободы
Выше было записано уравнение для изохорной теплоемкости одноатомного газа. Появившийся в нем коэффициент 3/2 связан с количеством степеней свободы у одного атома. У него существует возможность двигаться только в одном из трех направлений пространства, то есть существуют только поступательные степени свободы.
Если система образована двухатомными молекулами, то к трем поступательным добавляются еще две вращательные степени. Поэтому выражение для CV приобретает вид:
Тогда значение γ будет равно:
Отметим, что на самом деле существует у двухатомной молекулы еще одна колебательная степень свободы, но при температурах в несколько сотен Кельвин она не задействуется и не вносит вклад в теплоемкость.
Если молекулы газа состоят из более, чем двух атомов, тогда у них будет 6 степеней свободы. Показатель адиабаты при этом будет равен:
Таким образом, при увеличении числа атомов в молекуле газа величина γ уменьшается. Если построить график адиабаты в осях P-V, то можно заметить, что кривая для одноатомного газа будет вести себя более резко, чем для многоатомного.
Показатель адиабаты для смеси газов
Выше мы показали, что величина γ от химического состава газовой системы не зависит. Однако она зависит от количества атомов, которое составляет ее молекулы. Предположим, что система состоит из N компонент. Атомная доля компонента i в смеси равна ai. Тогда для определения показателя адиабаты смеси можно использовать следующее выражение:
Например, это выражение можно применить для определения γ воздуха. Поскольку он состоит на 99 % из двухатомных молекул кислорода и азота, то его показатель адиабаты должен быть очень близок к значению 1,4, что подтверждается при экспериментальном определении этой величины.