Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 5.7. Адиабатный процесс

• Мы рассмотрели изотермический, изобарный и изо-хорный процессы. После ознакомления с первым законом термодинамики появляется возможность изучить еще один процесс — это процесс, протекающий в системе при отсутствии теплообмена с окружающими телами. (Но работу над окружающими телами система может совершать.)

Процесс в теплоизолированной системе называют адиабатным.

При адиабатном процессе Q = 0 и согласно закону (5.5.3) изменение внутренней энергии происходит только за счет совершения работы:

Конечно, нельзя окружить систему оболочкой, абсолютно исключающей теплообмен. Но в ряде случаев реальные процессы очень близки к адиабатным. Существуют оболочки, обладающие малой теплопроводностью, например двойные стенки с вакуумом между ними. Так изготовляются термосы.

Процесс можно считать адиабатным даже без теплоизолирующей оболочки, если он происходит достаточно быстро, т. е. так, чтобы за время процесса не происходило заметного теплообмена между системой и окружающими телами.

Согласно выражению (5.7.1) при совершении над системой положительной работы, например при сжатии газа, внутренняя энергия его увеличивается; газ нагревается. Наоборот, при расширении газ сам совершает положительную работу (А' > 0), но А < 0 и внутренняя энергия его уменьшается; газ охлаждается.

Зависимость давления газа от его объема при адиабатном процессе изображается кривой, называемой адиабатой (рис. 5.9). Адиабата обязательно идет круче изотермы. Ведь при адиабатном процессе давление газа уменьшается не только за счет увеличения объема, как при изотермическом процессе, но и за счет уменьшения его температуры.

Рис. 5.9

Адиабатные процессы широко используются в технике. Они играют немалую роль в природе.

Нагревание воздуха при быстром сжатии нашло применение в двигателях Дизеля. В этих двигателях отсутствуют системы приготовления и зажигания горючей смеси, необходимые для обычных бензиновых двигателей внутреннего сгорания. В цилиндр засасывается не горючая смесь, а атмосферный воздух. К концу такта сжатия в цилиндр с помощью специальной форсунки впрыскивается жидкое топливо (рис. 5.10). К этому моменту температура сжатого воздуха так велика, что горючее воспламеняется.

Рис. 5.10

Так как в двигателе Дизеля сжимается не горючая смесь, а воздух, то степень сжатия у этого двигателя больше, а значит, коэффициент полезного действия (КПД) двигателей Дизеля выше, чем у обычных двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, они могут работать на более дешевом низкосортном топливе. Есть, однако, у двигателя Дизеля и недостатки: необходимость высоких степеней сжатия и большое рабочее давление делают эти двигатели массивными и вследствие этого более инерционными — они медленнее набирают мощность. Двигатели Дизеля более сложны в изготовлении и эксплуатации, тем не менее они постепенно вытесняют обычные бензиновые двигатели, используемые в автомобилях.

Охлаждение газа при адиабатном расширении происходит в грандиозных масштабах в атмосфере Земли. Нагретый воздух поднимается вверх и расширяется, так как атмосферное давление падает с высотой. Это расширение сопровождается значительным охлаждением. В результате водяные пары конденсируются и образуются облака.

Теплообмен в замкнутой системе

Если система не только не обменивается теплотой с окружающими телами, но и не совершает работы, то она является замкнутой. Внутренняя энергия системы в этом случае не меняется. Но внутри нее могут происходить процессы, в частности теплообмен между телами системы, если температуры их различны. Именно такие процессы происходят в калориметре, если можно пренебречь теплообменом содержимого калориметра с окружающими телами.

При теплообмене между телами не совершается работы. Поэтому изменение энергии любого тела внутри калориметра равно количеству теплоты, полученной или отданной этим телом до наступления теплового равновесия внутри системы: ΔU_i = Q_i. Складывая подобные выражения для всех тел системы и учитывая, что суммарная внутренняя энергия не меняется (ΔU = ΔU₁ + ΔU₂ + ΔU₃ + ... = 0), получим уравнение

Это и есть уравнение теплового баланса, которое было получено в § 5.2. Но там оно появилось как результат обобщения опытных данных по калориметрическим экспериментам. Теперь же мы его получили в качестве одного из следствий первого закона термодинамики.

Процесс в системе можно считать адиабатным, если он протекает достаточно быстро и за это время не происходит заметного теплообмена между системой и окружающими телами. Такие процессы широко распространены в природе и используются в технике.