Процессы, определяемые изменениями между начальным и конечным состояниями Термодинамические системы имеют такие параметры, как давление, температура и удельный объем, каждый из которых имеет свои единицы измерения. При решении технологических задач основное внимание уделяется тому, как эти параметры изменяются между заданными начальным и конечным состояниями, а не какому-либо одному фиксированному состоянию. Ключевые вопросы заключаются в том, как изменяются параметры газа, сколько тепла подается или отводится и какую работу выполняет газ.
Термодинамический процесс и реальность необратимости Термодинамический процесс - это изменение состояния системы под воздействием окружающей среды. Техническая термодинамика изучает обратимые процессы, которые могут протекать в обоих направлениях, однако реальные процессы, как правило, необратимы. После нагревания или сжатия газа в емкости его точное восстановление до исходного состояния невозможно; конечные параметры отличаются от исходных. Последующий анализ сосредоточен на процессах, лежащих в основе теплового двигателя и других термодинамических циклов.
Изохорный процесс: Постоянный объем, связь давления и температуры, Нулевая работа Изохорный процесс протекает при постоянном объеме; давление и температура могут изменяться, но объем - нет. Типичным примером является сгорание топливовоздушной смеси вблизи верхней мертвой точки в двигателе внутреннего сгорания до начала расширения. Уравнение процесса (закон Чарльза) связывает давление и температуру при отсутствии объема, указывая, что V = const. Поскольку объем не изменяется, работа равна нулю. На диаграмме p–V нагрев повышает давление при фиксированном объеме, охлаждение понижает его, и кривая не охватывает никакой области.
Изобарический процесс: Постоянное давление и работа в режиме p–V Изобарический процесс протекает при постоянном давлении и описывается уравнением, известным как закон Гей‑Люссака, в котором давление не учитывается. На p–V диаграмме движение вдоль одной прямой представляет собой изобарическое сжатие с отводом тепла и отрицательной работой. Движение вдоль другой линии представляет собой изобарическое расширение с подачей тепла и положительной работой. Давление остается постоянным на всем протяжении, а площадь под траекторией равна работе.
Изотермический процесс: Закон Бойля–Мариотта с нулевыми изменениями U и H Изотермический процесс удовлетворяет закону Бойля–Мариотта при постоянной температуре. Поскольку ΔT = 0, изменения внутренней энергии и энтальпии равны нулю. Работа и изменение энтропии вычисляются по стандартным формулам для данного процесса. На p–V диаграмме изотермическое сжатие с отводом тепла потребляет работу, в то время как изотермическое расширение с подводом тепла производит работу.
Адиабатический процесс: Отсутствие теплообмена, Соотношение Пуассона, Энергетический баланс Адиабатический процесс протекает без теплообмена с окружающей средой. Его основным соотношением является P1V1 ^ k = P2V2^k, где k - показатель адиабаты (коэффициент Пуассона). При Q = 0 изменение внутренней энергии равно отрицательной работе. В обратимом случае изменение энтропии равно нулю. На p–V диаграмме адиабатическое расширение выполняет работу, а адиабатическое сжатие требует работы, прослеживая кривые, похожие по форме на изотермы.
Политропный процесс: PV ^ n = const, связывающий все классические случаи Политропный процесс следует за PV ^ n = const с эквивалентными формами, которые связывают изменения температуры, давления и объема. В зависимости от показателя политропы n траектория становится изобарической (n = 0), изотермической (n = 1), адиабатической (n = k = 1,4) или изохорной (n → ∞). На комбинированной диаграмме эти семейства кривых отображаются при изменении n. Графически значение n указывает, совпадает ли траектория с горизонтальной линией, изотермой, адиабатой или вертикальной линией.
Способ анализа процессов и их роли в энергетических циклах В ходе анализа выводится уравнение процесса, связывающее начальные и конечные параметры, вычисляется работа по изменению объема, определяется теплопередача и оцениваются изменения внутренней энергии, энтальпии и энтропии. В графической интерпретации используются координаты p–V с давлением по ординате и объемом по абсциссе. В учебниках также могут быть представлены изоэнтропийные и изоэнтропийные процессы, но они здесь не рассматриваются, поскольку основное внимание уделяется циклам тепловых двигателей. Овладение этими процессами позволяет описать рабочие циклы теплоэнергетического оборудования, такого как двигатели, насосные агрегаты и компрессорные установки, что приводит к изучению циклов тепловых двигателей.