Термодинамический процесс, который является обратимым и адиабатическим.
В термодинамике изэнтропический процесс — это идеализированный термодинамический процесс , который является одновременно адиабатическим и обратимым . [1] [2] [3] [4] [5] [6] Передача работы в системе происходит без трения, и нет чистой передачи тепла или вещества. Такой идеализированный процесс полезен в технике как модель и основа сравнения реальных процессов. [7] Этот процесс идеализирован, поскольку обратимые процессы не происходят в действительности; представление о процессе как об адиабатическом и обратимом показало бы, что начальная и конечная энтропии одинаковы, поэтому его называют изэнтропическим (энтропия не меняется). Термодинамические процессы называются в зависимости от того, какое влияние они оказывают на систему (например, изоволюметрический: постоянный объем, изоэнтальпический: постоянная энтальпия). Хотя на самом деле осуществить изэнтропический процесс не обязательно возможно, некоторые из них можно аппроксимировать как таковые.
Слово «изоэнтропический» можно интерпретировать и по-другому, поскольку его значение выводится из его этимологии . Это означает процесс, в котором энтропия системы остается неизменной; как уже упоминалось, это может произойти, если процесс является одновременно адиабатическим и обратимым. Однако это также может произойти в системе, где работа, совершаемая в системе, включает в себя внутреннее трение системы, а тепло отводится из системы ровно в нужном количестве, чтобы компенсировать внутреннее трение и оставить энтропию неизменной. [8] Однако, что касается Вселенной, энтропия Вселенной в результате увеличится, в соответствии со Вторым законом термодинамики.
где – количество энергии, которую система получает при нагревании, – температура окружающей среды, – изменение энтропии. Знак равенства относится к обратимому процессу , который представляет собой воображаемый идеализированный теоретический предел, никогда на самом деле не встречающийся в физической реальности, с практически одинаковыми температурами системы и окружающей среды. [11] [12] Для изэнтропического процесса, если он также обратим, не происходит передачи энергии в виде тепла, поскольку процесс является адиабатическим ; δQ = 0. Напротив, если процесс необратим, внутри системы производится энтропия; следовательно, для поддержания постоянной энтропии внутри системы энергия должна одновременно отводиться из системы в виде тепла.
Для обратимых процессов изэнтропическое преобразование осуществляется путем термической «изоляции» системы от окружающей среды. Температура является термодинамической сопряженной переменной с энтропией, поэтому сопряженный процесс будет изотермическим процессом , в котором система термически «соединена» с тепловой баней с постоянной температурой.
Изэнтропические процессы в термодинамических системах
Диаграмма T – s (энтропия от температуры) изэнтропического процесса, представляющая собой отрезок вертикальной линии.
Энтропия данной массы не меняется в ходе процесса, который является внутренне обратимым и адиабатическим. Процесс, во время которого энтропия остается постоянной, называется изэнтропическим процессом, пишется или . [13] Некоторыми примерами теоретически изоэнтропических термодинамических устройств являются насосы , газовые компрессоры , турбины , сопла 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 изэнтропический процесс. Параметр, который описывает, насколько эффективно устройство аппроксимирует соответствующее изоэнтропическое устройство, называется изэнтропическим или адиабатическим КПД. [13]
- удельная энтальпия на выходе реального процесса,
– удельная энтальпия на выходе изэнтропического процесса.
Изэнтропические устройства в термодинамических циклах
Примечание. Предположения об изэнтропии применимы только к идеальным циклам. Реальные циклы имеют неотъемлемые потери из-за неэффективности компрессоров и турбин, а также второго закона термодинамики. Реальные системы не являются истинно изэнтропическими, но изэнтропическое поведение является адекватным приближением для многих расчетных целей.
Изэнтропический поток
В гидродинамике изэнтропический поток — это поток жидкости , который является одновременно адиабатическим и обратимым. То есть к потоку не добавляется тепло и не происходит никаких преобразований энергии за счет трения или диссипативных эффектов . Для изоэнтропического течения идеального газа можно вывести несколько соотношений, определяющих давление, плотность и температуру вдоль линии тока.
Обратите внимание, что обмен энергией с потоком может происходить при изэнтропическом превращении, но только не в виде теплообмена. Примером такого обмена может быть изоэнтропическое расширение или сжатие, которое влечет за собой работу, совершаемую над потоком или с его помощью.
Для изоэнтропического потока плотность энтропии может варьироваться между различными линиями тока. Если плотность энтропии везде одинакова, то поток называется гоментропическим .
Вывод изэнтропических соотношений
Для закрытой системы общее изменение энергии системы равно сумме проделанной работы и подведенного тепла:
Обратимая работа, совершаемая системой при изменении объема, равна
где давление , а объем . _ Изменение энтальпии ( ) определяется выражением
Тогда для процесса, который является одновременно обратимым и адиабатическим (т. е. не происходит теплопередачи), , и так Все обратимые адиабатические процессы изэнтропичны. Это приводит к двум важным наблюдениям:
Далее, многое можно вычислить для изоэнтропических процессов идеального газа. Для любого превращения идеального газа всегда верно, что
, и
Используя общие результаты, полученные выше для и , тогда
Для калорически совершенного газа константа. Следовательно, интегрируя приведенное выше уравнение, предполагая, что газ калорически совершенен, мы получаем
^ Партингтон, младший (1949), Расширенный трактат по физической химии. , том. 1. Фундаментальные принципы. Свойства газов, Лондон: Лонгманс, Грин и Ко , с. 122.
^ Кестин, Дж. (1966). Курс термодинамики , издательство Blaisdell Publishing Company, Уолтем, Массачусетс, с. 196.
^ Мюнстер, А. (1970). Классическая термодинамика , перевод Э.С. Хальберштадта, Wiley – Interscience, Лондон, ISBN 0-471-62430-6 , стр. 13.
^ Хаазе, Р. (1971). Обзор фундаментальных законов, глава 1 «Термодинамики» , страницы 1–97 тома 1, изд. В. Йост, физическая химия. Продвинутый трактат , изд. Х. Айринг, Д. Хендерсон, В. Йост, Academic Press, Нью-Йорк, lcn 73–117081, с. 71.
^ Боргнакке, К., Sonntag., RE (2009). Основы термодинамики , седьмое издание, Wiley, ISBN 978-0-470-04192-5 , стр. 310.
^ Мэсси, бакалавр наук (1970), Механика жидкостей , раздел 12.2 (2-е издание) Van Nostrand Reinhold Company, Лондон. Номер карточки каталога Библиотеки Конгресса: 67-25005, стр. 19.
^ Ченгель, Ю.А., Болес, Массачусетс (2015). Термодинамика: инженерный подход , 8-е издание, МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, ISBN 978-0-07-339817-4 , стр. 340.
^ Ченгель, Ю.А., Болес, Массачусетс (2015). Термодинамика: инженерный подход , 8-е издание, МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, ISBN 978-0-07-339817-4 , стр. 340–341.
^ Мортимер, Р.Г. Физическая химия , 3-е изд., с. 120, Академик Пресс, 2008.
^ Ферми, Э. Термодинамика , сноска на стр. 48, Dover Publications, 1956 (все еще издается).
^ Гуггенхайм, EA (1985). Термодинамика. Расширенное лечение для химиков и физиков , седьмое издание, Северная Голландия, Амстердам, ISBN 0444869514 , стр. 12: «В качестве предельного случая между естественными и неестественными процессами[,] мы имеем обратимые процессы, которые состоят из прохождения в любом направлении через непрерывный ряд состояний равновесия. Обратимые процессы на самом деле не происходят...»
^ Кестин, Дж. (1966). Курс термодинамики , издательство Blaisdell Publishing Company, Уолтем, Массачусетс, с. 127: «Однако, с натяжкой воображения, было принято, что процесс сжатия или расширения, по желанию, может выполняться «бесконечно медленно» [,] или, как иногда говорят, квазистатически ». С. 130: «Ясно, что все естественные процессы необратимы и что обратимые процессы представляют собой лишь удобную идеализацию».
^ аб Сенгель, Юнус А. и Майкл А. Болес. Термодинамика: инженерный подход. 7-е издание изд. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл, 2012. Печать.
Рекомендации
Ван Вайлен, Дж. Дж. и Зоннтаг, Р. Э. (1965), Основы классической термодинамики , John Wiley & Sons, Inc., Нью-Йорк. Номер карточки каталога Библиотеки Конгресса: 65-19470