WikiDer > Изэнтропический процесс - Википедия

Isentropic process - Wikipedia

В термодинамика, изэнтропический процесс идеализированный термодинамический процесс это оба адиабатический и обратимый.[1][2][3][4][5][6] В работай передачи системы без трения, и нет передачи высокая температура или дело. Такой идеализированный процесс полезен в инженерии как модель и основа для сравнения реальных процессов.[7]

Слово «изоэнтропический» иногда, хотя и не всегда, интерпретируется по-другому, читая его так, как если бы его значение было выведено из его этимология. Это противоречит его первоначальному и обычно используемому определению. В этом периодическом чтении это означает процесс, в котором энтропия системы остается без изменений. Например, это может произойти в системе, где работа, выполняемая в системе, включает внутреннее трение системы, а тепло отбирается из системы в нужном количестве, чтобы компенсировать внутреннее трение, чтобы энтропия оставалась неизменной.[8]

Фон

В второй закон термодинамики состояния[9][10] который

куда это количество энергии, которое система получает за счет нагрева, это температура окружения, и изменение энтропии. Знак равенства относится к обратимый процесс, который является воображаемым идеализированным теоретическим пределом, никогда фактически не встречающимся в физической реальности, при практически равных температурах системы и окружающей среды.[11][12] Для изоэнтропического процесса, который по определению является обратимым, передача энергии в виде тепла отсутствует, поскольку процесс адиабатический, δQ = 0. В необратимом процессе передачи энергии в виде работы энтропия производится внутри системы; следовательно, чтобы поддерживать постоянную энтропию в системе, энергия должна быть удалена из системы в виде тепла во время процесса.

Для обратимых процессов изоэнтропическое преобразование осуществляется путем термической «изоляции» системы от окружающей среды. Температура - это термодинамический сопряженная переменная к энтропии, таким образом, сопряженный процесс был бы изотермический процесс, в котором система термически «связана» с термостатом с постоянной температурой.

Изэнтропические процессы в термодинамических системах

T – s (энтропия в зависимости от температуры) диаграмма изоэнтропического процесса, которая представляет собой отрезок вертикальной линии

Энтропия данной массы не изменяется во время процесса, который является внутренне обратимым и адиабатическим. Процесс, в течение которого энтропия остается постоянной, называется изэнтропическим процессом, записывается или же .[13] Некоторые примеры теоретически изэнтропических термодинамических устройств: насосы, газовые компрессоры, турбины, насадки, и диффузоры.

Изэнтропические КПД стационарных устройств в термодинамических системах

Большинство устройств с установившимся потоком работают в адиабатических условиях, и идеальным процессом для этих устройств является изоэнтропический процесс. Параметр, который описывает, насколько эффективно устройство приближается к соответствующему изэнтропическому устройству, называется изэнтропической или адиабатической эффективностью.[14]

Изэнтропический КПД турбин:

Изэнтропический КПД компрессоров:

Изэнтропическая эффективность форсунок:

Для всех приведенных выше уравнений:

это конкретный энтальпия на входе состояние,
- удельная энтальпия на выходе для фактического процесса,
- удельная энтальпия на выходе изоэнтропического процесса.

Изэнтропические устройства в термодинамических циклах

ЦиклИзэнтропический шагОписание
Идеально Цикл Ренкина1→2Изэнтропическое сжатие в насос
Идеально Цикл Ренкина3→4Изэнтропическое расширение в турбина
Идеально Цикл Карно2→3Изэнтропическое расширение
Идеально Цикл Карно4→1Изэнтропическое сжатие
Идеально Цикл Отто1→2Изэнтропическое сжатие
Идеально Цикл Отто3→4Изэнтропическое расширение
Идеально Дизельный цикл1→2Изэнтропическое сжатие
Идеально Дизельный цикл3→4Изэнтропическое расширение
Идеально Цикл Брайтона1→2Изэнтропическое сжатие в компрессор
Идеально Цикл Брайтона3→4Изэнтропическое расширение в турбина
Идеально парокомпрессионное охлаждение цикл1→2Изэнтропическое сжатие в компрессор
Идеально Цикл Ленуара2→3Изэнтропическое расширение

Примечание. Допущения изоэнтропии применимы только к идеальным циклам. Реальным циклам присущи потери из-за неэффективности компрессора и турбины, а также второго закона термодинамики. Реальные системы не являются истинно изоэнтропическими, но изэнтропическое поведение является адекватным приближением для многих целей расчетов.

Изэнтропический поток

В гидродинамике изэнтропический поток это поток жидкости это одновременно адиабатическое и обратимое. То есть в поток не добавляется тепло и не происходит преобразования энергии из-за трение или же диссипативные эффекты. Для изоэнтропического потока идеального газа можно вывести несколько соотношений для определения давления, плотности и температуры вдоль линии тока.

Обратите внимание, что энергия может обменяться с потоком при изоэнтропическом преобразовании, если это не происходит как теплообмен. Примером такого обмена может быть изоэнтропическое расширение или сжатие, которое влечет за собой работу, выполняемую потоком или потоком.

Для изоэнтропического потока плотность энтропии может варьироваться между разными линиями тока. Если плотность энтропии везде одинакова, то говорят, что поток гоментропный.

Вывод изоэнтропических соотношений.

Для закрытой системы полное изменение энергии системы представляет собой сумму проделанной работы и добавленного тепла:

Обратимая работа, выполняемая в системе за счет изменения громкости, равна

куда это давление, и это объем. Изменение в энтальпия () дан кем-то

Тогда для процесса, который является как обратимым, так и адиабатическим (т.е. теплообмен не происходит), , и так Все обратимые адиабатические процессы изоэнтропичны. Это приводит к двум важным наблюдениям:

Затем многое можно вычислить для изоэнтропических процессов идеального газа. Для любого преобразования идеального газа всегда верно, что

, и

Используя общие результаты, полученные выше для и , тогда

Итак, для идеального газа коэффициент теплоемкости можно записать как

Для идеального с точки зрения калорийности газа постоянно. Следовательно, интегрируя приведенное выше уравнение, предполагая, что газ идеален с точки зрения калорийности, мы получаем

то есть,

С использованием уравнение состояния для идеального газа, ,

(Доказательство: Но nR = сама константа, поэтому .)

также для постоянного (на моль),

и

Таким образом, для изэнтропических процессов с идеальным газом

или же

Таблица изоэнтропических соотношений для идеального газа

Происходит от

куда:

= давление,
= объем,
= соотношение удельной теплоты = ,
= температура,
= масса,
= газовая постоянная для конкретного газа = ,
= универсальная газовая постоянная,
= молекулярная масса конкретного газа,
= плотность,
= удельная теплоемкость при постоянном давлении,
= удельная теплоемкость при постоянном объеме.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Партингтон, Дж. Р. (1949), Расширенный трактат по физической химии., том 1, Основные принципы. Свойства газов, Лондон: Longmans, Green and Co., п. 122.
  2. ^ Кестин, Дж. (1966). Курс термодинамики, Blaisdell Publishing Company, Waltham MA, p. 196.
  3. ^ Мюнстер, А. (1970). Классическая термодинамика, перевод Э. С. Хальберштадта, Wiley – Interscience, Лондон, ISBN 0-471-62430-6, п. 13.
  4. ^ Хаазе, Р. (1971). Обзор основных законов, глава 1 Термодинамика, страницы 1–97 тома 1, изд. В. Йост, из Физическая химия. Продвинутый трактат, изд. Х. Эйринг, Д. Хендерсон, У. Йост, Academic Press, Нью-Йорк, lcn 73–117081, стр. 71.
  5. ^ Borgnakke, C., Sonntag., R.E. (2009). Основы термодинамики, седьмое издание, Wiley, ISBN 978-0-470-04192-5, п. 310.
  6. ^ Мэсси, Б. С. (1970), Механика жидкостей, Раздел 12.2 (2-е издание) Компания Van Nostrand Reinhold, Лондон. Номер карточки в каталоге Библиотеки Конгресса: 67-25005, стр. 19.
  7. ^ Ченгель Ю.А., Болес М.А. (2015). Термодинамика: инженерный подход, 8-е издание, Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, ISBN 978-0-07-339817-4, п. 340.
  8. ^ Ченгель Ю.А., Болес М.А. (2015). Термодинамика: инженерный подход, 8-е издание, Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, ISBN 978-0-07-339817-4С. 340–341.
  9. ^ Мортимер, Р. Г. Физическая химия, 3-е изд., С. 120, Academic Press, 2008.
  10. ^ Ферми, Э. Термодинамика, сноска на стр. 48, Dover Publications, 1956 (все еще печатается).
  11. ^ Гуггенхайм, Э. (1985). Термодинамика. Передовое лечение для химиков и физиков, седьмое издание, Северная Голландия, Амстердам, ISBN 0444869514, п. 12: «В качестве предельного случая между естественными и неестественными процессами [,] у нас есть обратимые процессы, которые состоят из прохождения в любом направлении через непрерывную серию состояний равновесия. Обратимые процессы на самом деле не происходят ...»
  12. ^ Кестин, Дж. (1966). Курс термодинамики, Blaisdell Publishing Company, Waltham MA, p. 127: «Однако с большой натяжкой воображения было принято, что процесс сжатия или расширения, по желанию, может выполняться« бесконечно медленно »[,] или, как иногда говорят, квазистатически. »С. 130:« Понятно, что все природные процессы необратимы и что обратимые процессы представляют собой лишь удобные идеализации ».
  13. ^ Cengel, Yunus A., и Michaeul A. Boles. Термодинамика: инженерный подход. Издание 7-е изд. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл, 2012. Печать.
  14. ^ Cengel, Yunus A., и Michaeul A. Boles. Термодинамика: инженерный подход. Издание 7-е изд. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл, 2012. Печать.

Рекомендации

  • Ван Уилен, Дж. Дж. И Зоннтаг, Р. Э. (1965), Основы классической термодинамики, John Wiley & Sons, Inc., Нью-Йорк. Номер карточки в каталоге Библиотеки Конгресса: 65-19470