绝热过程

更新时间:2022-08-25 15:25

绝热过程是一个绝热体系的变化过程,即体系与环境之间无热量交换的过程。

基本信息

系统与外界没有热量交换情况下所进行的状态变化过程。绝热过程是为了便于分析计算而进行的简化和抽象,它又是实际过程的一种近似,当过程进行得很快,工质与外界来不及交换热量时,例如,叶轮式压气机和气流流经喷管的过程等均可以近似作绝热过程处理。

大气层中的许多重要现象都和绝热变化有关。例如,在大气层的下层通常存在着温度随高度而递减,主要就是由于空气绝热混合的结果。导致水蒸汽凝结、云和雨形成的降温作用,主要是由于空气上升时温度下降的结果;晴朗的、干燥的天气通常是与空气下沉引起的增温变干作用有关。上升空气的降温作用和下沉空气的增温作用主要是由于空气的绝热膨胀绝热压缩的结果。

绝热过程方程

当已知一个系统的状态方程时就容易求出它的各种等值过程方程。但没有哪个状态参量在绝热过程中保持不变,因此需要根据热力学定律求出它所要遵守的微分方程,再进行积分才能求出气体的绝热过程方程。下面我们将要求出经典和量子理想气体(包括光子气体)的绝热过程方程,并进行一些必要的讨论。

经典理想气体绝热方程

理想气体绝热过程方程式可根据过程特点从能量方程导出 ,带入 ,整理得出 。如果近似地把比热当作定值,则绝热指数( )也是定值。将整理出的上式积分可得经典理想气体绝热方程: 常数。

量子理想气体绝热方程

对于非相对论性的粒子,能量与动量的二次方成正比, 或 ,由这种粒子构成的理想气体,它的压强p同能量密度u之间存在如下关系: ,根据热力学第一定律,绝热过程满足 ,可得 常量,这就是非相对论性粒子构成的理想气体(费米理想气体和玻色理想气体;其实包括经典理想气体)的绝热过程。

光子气体绝热方程

光子气体是极端相对论性的理想量子玻色气体,光子的静止质量等于零,它的能量与动量成正比, 或 ,所以光子气体的压强同能量密度之间存在如下关系: ,根据热力学第一定律,绝热过程满足 ,可得 常量,这是光子气体的绝热过程方程。

经典理想气体绝热方程使用注意事项

当利用 常数,以及由此而推得的其它结论,对定熵过程进行数值计算时,由于把比热当作定值,计算结果往往不够准确,尤其是当过程初、终温度变化范围较大时,有较大的误差。因此,在热力发动机要求准确度很髙的设计计算中,常常应用图表计算法,而不应用这些公式。但常数这个公式形式简单,用以作过程分析以求得各种因索的影响,并由此而对热机的工作过程作定性分析时极其方便,用作近似计算也有一定的实用价值。

相关关系

根据理想气体状态方程和绝热过程方程,联立求解可得各状态参数关系为: 和 ,以上关系式说明,当系统中气体可逆绝热膨胀时,p、T均降低;当系统中气体被绝热压缩时,p、T均升高。

由绝热过程方程可知,绝热过程在图1 p-v图中是一条高次双曲线,而可逆绝热过程为定熵过程,在图1 T-s图上为一条垂直线。如图1所示,图1中1-2为绝热膨胀过程,1-2‘为绝热压缩过程。今后为区别可逆绝热过程与不可逆绝热过程(有熵增),而把可逆绝热过程称为定熵过程

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