Այս հոդվածում մենք կքննարկենք թերմոդինամիկական գործընթացները: Ծանոթանանք դրանց տարատեսակներին ու որակական բնութագրերին, ինչպես նաև ուսումնասիրենք սկզբնական և վերջնական կետերում նույն պարամետրերն ունեցող շրջանաձև պրոցեսների երևույթը։
Ներածություն
Թերմոդինամիկական պրոցեսները երևույթներ են, որոնցում առկա է ամբողջ համակարգի թերմոդինամիկայի մակրոսկոպիկ փոփոխություն։ Սկզբնական և վերջնական վիճակի միջև տարբերության առկայությունը կոչվում է տարրական գործընթաց, սակայն անհրաժեշտ է, որ այդ տարբերությունը լինի անսահման փոքր։ Տիեզերքի այն տարածքը, որի ներսում տեղի է ունենում այս երևույթը, կոչվում է աշխատանքային մարմին:
Կախված կայունության տեսակից՝ կարելի է տարբերակել հավասարակշռությունը և ոչ հավասարակշռությունը։ Հավասարակշռության մեխանիզմը գործընթաց է, երբ բոլոր տեսակի վիճակները, որոնց միջոցով հոսում է համակարգը, կապված են հավասարակշռության վիճակի հետ: Նման գործընթացների իրականացումը տեղի է ունենում, երբ փոփոխությունն ընթանում է բավականին դանդաղ, կամ, այլ կերպ ասած, երևույթը կրում է կիսաստատիկ բնույթ։
Երևույթներջերմային տիպը կարելի է բաժանել շրջելի և անշրջելի թերմոդինամիկական գործընթացների։ Հետադարձելի մեխանիզմներն են այն մեխանիզմները, որոնց դեպքում հնարավոր է իրականացնել գործընթացը հակառակ ուղղությամբ՝ օգտագործելով նույն միջանկյալ վիճակները:
:
Ադիաբատիկ ջերմային փոխանցում
Ջերմության փոխանցման ադիաբատիկ եղանակը մակրոտիեզերքի մասշտաբով տեղի ունեցող թերմոդինամիկական գործընթաց է: Մեկ այլ բնութագիր ջերմափոխանակության բացակայությունն է շրջակա տարածության հետ:
Այս գործընթացի լայնածավալ հետազոտությունը սկսվում է տասնութերորդ դարի սկզբից:
Ադիաբատիկ տիպի պրոցեսները պոլիտրոպային ձևի հատուկ դեպք են։ Դա պայմանավորված է նրանով, որ այս ձևով գազի ջերմային հզորությունը զրոյական է, ինչը նշանակում է, որ այն հաստատուն արժեք է: Նման գործընթացը հնարավոր է շրջել միայն այն դեպքում, եթե կա ժամանակի բոլոր պահերի հավասարակշռության կետ: Էնտրոպիայի ինդեքսի փոփոխություններն այս դեպքում չեն նկատվում կամ շատ դանդաղ են ընթանում։ Կան մի շարք հեղինակներ, ովքեր ճանաչում են ադիաբատիկ պրոցեսները միայն շրջելի պրոցեսներում:
Իդեալական տիպի գազի ջերմադինամիկ գործընթացը ադիաբատիկ երևույթի տեսքով նկարագրում է Պուասոնի հավասարումը:
Իզոխորիկ համակարգ
Իզոխորիկ մեխանիզմը թերմոդինամիկական գործընթաց է՝ հիմնված հաստատուն ծավալի վրա։ Այն կարող է դիտվել գազերում կամ հեղուկներում, որոնք բավականաչափ տաքացվել են հաստատուն ծավալով տարայի մեջ։
Իդեալական գազի թերմոդինամիկական գործընթացը իզոխորիկ ձևով թույլ է տալիս մոլեկուլներպահպանել համամասնությունները ջերմաստիճանի նկատմամբ. Դա պայմանավորված է Չարլզի օրենքով: Իրական գազերի համար գիտության այս դոգման չի կիրառվում:
Isobar համակարգ
Իզոբարային համակարգը ներկայացվում է որպես թերմոդինամիկական գործընթաց, որը տեղի է ունենում դրսում մշտական ճնշման առկայության դեպքում: I.p հոսք բավականաչափ դանդաղ տեմպերով, որը թույլ է տալիս համակարգի ներսում ճնշումը համարել մշտական և համապատասխան արտաքին ճնշմանը, կարելի է համարել շրջելի: Նման երևույթների թվում է նաև այն դեպքը, երբ վերը նշված գործընթացի փոփոխությունն ընթանում է ցածր արագությամբ, ինչը հնարավորություն է տալիս համարել ճնշումը հաստատուն։
Կատարել I.p. հնարավոր է համակարգում, որը մատակարարվում է (կամ հեռացվում է) ջերմությանը dQ: Դրա համար անհրաժեշտ է ընդլայնել Pdv աշխատանքը և փոխել էներգիայի ներքին տեսակը dU, T.
e.dQ,=Pdv+dU=TdS
Էնտրոպիայի մակարդակի փոփոխություններ – dS, T – ջերմաստիճանի բացարձակ արժեք:
Իդեալական գազերի թերմոդինամիկական գործընթացները իզոբար համակարգում որոշում են ծավալի համաչափությունը ջերմաստիճանի հետ։ Իրական գազերը կծախսեն որոշակի քանակությամբ ջերմություն՝ էներգիայի միջին տեսակի մեջ փոփոխություններ կատարելու համար: Նման երեւույթի աշխատանքը հավասար է արտաքին ճնշման և ծավալի փոփոխության արտադրյալին։
Իզթերմային երևույթ
Հիմնական թերմոդինամիկական պրոցեսներից մեկը նրա իզոթերմային ձևն է։ Այն հանդիպում է ֆիզիկական համակարգերում՝ մշտական ջերմաստիճանով։
Այս երեւույթը գիտակցելու համարհամակարգը, որպես կանոն, տեղափոխվում է թերմոստատ՝ հսկայական ջերմային հաղորդունակությամբ։ Ջերմության փոխադարձ փոխանակումն ընթանում է բավականաչափ արագությամբ, որպեսզի գերազանցի բուն գործընթացի արագությունը: Համակարգի ջերմաստիճանի մակարդակը գրեթե չի տարբերվում թերմոստատի ցուցանիշներից:
Հնարավոր է նաև իզոթերմային գործընթացն իրականացնել ջերմատախտակների և (կամ) աղբյուրների միջոցով՝ վերահսկելով ջերմաստիճանի կայունությունը ջերմաչափերի միջոցով: Այս երեւույթի ամենատարածված օրինակներից է հեղուկների եռացումը մշտական ճնշման տակ։
Իզենտրոպիկ երևույթ
Ջերմային պրոցեսների իզենտրոպիկ ձևն ընթանում է մշտական էնտրոպիայի պայմաններում։ Ջերմային բնույթի մեխանիզմները կարելի է ձեռք բերել՝ օգտագործելով Կլաուզիուսի հավասարումը շրջելի գործընթացների համար:
Միայն շրջելի ադիաբատիկ գործընթացները կարելի է անվանել իզենտրոպիկ: Կլաուզիուսի անհավասարությունը նշում է, որ այստեղ չեն կարող ներառվել ջերմային երևույթների անդառնալի տեսակներ։ Այնուամենայնիվ, էնտրոպիայի կայունությունը կարող է դիտվել նաև անշրջելի ջերմային երևույթի դեպքում, եթե ջերմադինամիկ գործընթացում էնտրոպիայի վրա աշխատանքը կատարվում է այնպես, որ այն անմիջապես հեռացվի։ Թերմոդինամիկական դիագրամներին նայելով՝ իզենտրոպիկ գործընթացները ներկայացնող գծերը կարելի է անվանել ադիաբատներ կամ իզենտրոպներ: Ավելի հաճախ նրանք դիմում են առաջին անունին, որը պայմանավորված է անշրջելի բնույթի գործընթացը բնութագրող գծապատկերի գծերը ճիշտ պատկերելու անկարողությամբ: Մեծ նշանակություն ունեն իզենտրոպային պրոցեսների բացատրությունն ու հետագա շահագործումը։արժեք, քանի որ այն հաճախ օգտագործվում է նպատակներին հասնելու, գործնական և տեսական գիտելիքների համար:
Իզենթալպիական գործընթացի տեսակ
Իզենթալպի պրոցեսը ջերմային երևույթ է, որը դիտվում է մշտական էնթալպիայի առկայության դեպքում։ Նրա ցուցիչի հաշվարկները կատարվում են բանաձևի շնորհիվ՝ dH=dU + d(pV).
Էնթալպիան պարամետր է, որը կարող է օգտագործվել բնութագրելու այն համակարգը, որտեղ փոփոխությունները չեն նկատվում հենց համակարգի հակադարձ վիճակին վերադառնալուց հետո և, համապատասխանաբար, հավասար են զրոյի:
Ջերմության փոխանցման իզենթալպիական երևույթը կարող է դրսևորվել, օրինակ, գազերի թերմոդինամիկական գործընթացում: Երբ մոլեկուլները, օրինակ՝ էթանը կամ բութանը, «սեղմվում են» ծակոտկեն կառուցվածք ունեցող միջնորմով, և գազի և շրջակայքի ջերմության միջև ջերմափոխանակությունը չի նկատվում։ Դա կարելի է նկատել Ջուլ-Թոմսոնի էֆեկտում, որն օգտագործվում է ծայրահեղ ցածր ջերմաստիճանների ստացման գործընթացում։ Իզենթալպիական պրոցեսները արժեքավոր են, քանի որ դրանք հնարավորություն են տալիս նվազեցնել ջերմաստիճանը շրջակա միջավայրում՝ առանց էներգիայի վատնելու:
Պոլիտրոպիկ ձև
Պոլիտրոպիկ գործընթացի հատկանիշը համակարգի ֆիզիկական պարամետրերը փոխելու, բայց ջերմային հզորության ինդեքսը (C) անփոփոխ թողնելու ունակությունն է: Այս ձևով թերմոդինամիկական գործընթացները ցուցադրող դիագրամները կոչվում են պոլիտրոպիկ: Հետադարձելիության ամենապարզ օրինակներից մեկը արտացոլված է իդեալական գազերում և որոշվում է pV =կոնստ. P - ճնշման ցուցանիշներ, V - գազի ծավալային արժեքը.
Գործընթացի զանգ
Ջերմոդինամիկ համակարգերը և գործընթացները կարող են ձևավորել շրջանաձև ցիկլեր: Նրանք միշտ ունեն նույնական ցուցանիշներ նախնական և վերջնական պարամետրերում, որոնք գնահատում են մարմնի վիճակը: Նման որակական բնութագրերը ներառում են մոնիտորինգի ճնշումը, էնտրոպիան, ջերմաստիճանը և ծավալը:
Թերմոդինամիկական ցիկլը հայտնվում է գործընթացի մոդելի արտահայտման մեջ, որը տեղի է ունենում իրական ջերմային մեխանիզմներում, որոնք ջերմությունը վերածում են մեխանիկական աշխատանքի:
Աշխատանքային մարմինը յուրաքանչյուր նման մեքենայի բաղադրիչների մի մասն է։
Վերադարձելի թերմոդինամիկական գործընթացը ներկայացվում է որպես ցիկլ, որն ունի ինչպես առաջ, այնպես էլ հետընթաց ուղիներ: Նրա դիրքը փակ համակարգում է։ Համակարգի էնտրոպիայի ընդհանուր գործակիցը չի փոխվում յուրաքանչյուր ցիկլի կրկնության հետ։ Այն մեխանիզմի համար, որտեղ ջերմության փոխանցումը տեղի է ունենում միայն ջեռուցման կամ սառնարանային սարքի և աշխատող հեղուկի միջև, շրջելիությունը հնարավոր է միայն Կարնո ցիկլով:
Կան մի շարք այլ ցիկլային երևույթներ, որոնք կարող են շրջվել միայն ջերմության լրացուցիչ ջրամբարի ներդրման դեպքում: Նման աղբյուրները կոչվում են ռեգեներատորներ։
Թերմոդինամիկական գործընթացների վերլուծությունը, որոնց ընթացքում տեղի է ունենում վերածնում, մեզ ցույց է տալիս, որ դրանք բոլորը տարածված են Ռոյտլինգերի ցիկլում: Մի շարք հաշվարկներով և փորձերով ապացուցվել է, որ շրջելի ցիկլն ունի արդյունավետության ամենաբարձր աստիճանը։
