Основные термодинамические процессы идеального газа

1). Изохорный процесс (Рис.4.1)

Такой процесс может совершаться рабочим телом, находящимся в цилиндре при неподвижном поршне, если к рабочему телу подводится теплота от источника теплоты (см. рис. 4.1) или отводится теплота от рабочего тела к холодильнику. При изохорном процессе выполняется условие dv=0 или v=const. Уравнение изохорного процесса получим из уравнения состояния идеального газа при v=const. В pv-координатах график процесса представляет собой прямую линию, параллельную оси p. Изохорный процесс может протекать с повышением давления (процесс 1-2) и с понижением (процесс 1-2’).

Рис. 4.1. График изохорного процесса в p-v координатах

Запишем для точек 1 и 2 уравнения состояния: p₁·v=R·T₁; p₂·v=R·T₂. Следовательно, для изохорного процесса

Приращение внутренней энергии газа

Работа газа

так как dv=0.

Энтальпия газа

Энтропия

То есть

2). Изобарный процесс (Рис.4.2)

В p-v координатах график процесса представляет собой прямую линию параллельную оси v (рис. 4.2). Изобарный процесс может протекать с увеличением объёма (процесс 1-2) и с уменьшением (процесс 1-2’). Запишем для точек 1 и 2 уравнения состояния: p·v₁=R·T₁; p·v₂=R·T₂.

Рис. 4.2. График изобарного процессав p-v координатах

Следовательно, для изобарного процесса

Приращение внутренней энергии

Работа газа

Так как p·v₂=R·T₂, а p·v₁=R·T₁, то l=R·(T₂-T₁). Следовательно, газовая постоянная имеет определённый физический смысл: это работа 1 кг газа в изобарном процессе при изменении температуры на один градус.

В изобарном процессе q=c_p·(T₂-T₁). В соответствии с первым законом термодинамики для изобарного процесса можно записать dq=du+p·dv= du+d(p·v)=di. Поэтому в изобарном процессе di=q=c_p·(T₂-T₁). Из соотношений, характеризующих изобарный процесс, вытекает известное уравнение Майера.

Так как dq=c_p·dT=c_v·dT+dl=c_v·dT+R·dT, то R=c_p-c_v.

Можно показать, что в изобарном процессе энтропия газа

3). Изотермический процесс (Рис.4.3)

В p-v координатах график процесса изображается равнобокой гиперболой (рис. 4.3). Изотермический процесс может протекать как с увеличением объёма (процесс 1-2), так и с уменьшением объёма (процесс 1-2’).

Рис. 4.3. График изотермического процесса в p-v координатах

Запишем для точек 1 и 2 уравнения состояния p₁·v₁=R·T; p₂·v₂=R·T. Следовательно, для изотермического процесса p₁·v₁=p₂·v₂=const.

Приращение внутренней энергии газа

Работа

(

Теплота, подводимая в процессе

Изменение энтальпии газа Δi=Δu+Δ(p·v)=0.

Изменение энтропии газа

4). Адиабатный процесс (Рис.4.4)

Рис. 4.4. Взаимное расположение адиабаты 1 и изотермы 2 идеального газа в p, v-диаграмме

В данном процессе не подводится и не отводится тепло, т.е. q =0.

Адиабатный процесс – это процесс, при котором рабочее тело не обменивается теплотой с окружающей средой (dq=0). Для получения графика процесса в p-v координатах выполним некоторые преобразования.

В соответствии с первым законом термодинамики dq=c_v·dT+p·dv=c·dT, где с – теплоёмкость термодинамического процесса. Тогда можно записать, что

Продифференцируем уравнение состояния идеального газа и запишем

Так как R=c_p-c_v, то

Выполним преобразования выражения

Разделим выражение на (c_v-c)·p·v и получим:

Обозначим , тогда

Следовательно

В адиабатном процессе dq=0, то есть c·dT=0. Поэтому c=0. Значит в адиабатном процессе . Эту величину принято обозначать буквой и называть показателем адиабаты.

Поэтому в p-v координатах адиабатный процесс изображается неравнобокой гиперболой v^k·p=const (рис. 4.4). Так как k>1, то адиабата проходит круче гиперболы. Адиабатный процесс может протекать как с увеличением объёма (процесс 1-2), так и с уменьшением объёма (процесс 1-2’).

Рис. 4.4. График адиабатного процесса в p-v координатах

Запишем для точек 1 и 2 уравнения состояния p₁·v₁=R·T₁; p₂·v₂=R·T₂. Так как в адиабатном процессе p₁·v₁^k=p₂·v₂^k, то ,  , .

Приращение внутренней энергии газа  .

Так как , а , то , а .

Поэтому

Работа газа в адиабатном процессе выполняется за счёт его внутренней энергии. Так как в адиабатном процессе отсутствует обмен теплотой с окружающей средой, то в соответствии с первым законом термодинамики имеем l+Δu=0 или l=-Δu. Поэтому

Изменение энтальпии газа в адиабатном процессе может быть определено исходя из следующих соображений:

Так как , то в итоге получим

Энтропия газа в адиабатном процессе не изменяется, так как dq=0. Поэтому в T-s координатах адиабатный процесс изображается прямой линией, параллельной оси температур.