Адиабатический процесс. 
Адиабатический процесс в тепловом двигателе

Чтобы построить тепловую машину, которая может выполнять работу за счет использования теплоты, необходимо создать определенные условия. Прежде всего, тепловая машина должная работать в циклическом режиме, где ряд последовательных термодинамических процессов создают цикл. В результате совершения цикла газ, заключенный в цилиндр с подвижным поршнем, совершает работу. Но одного цикла для периодически действующей машины мало, она должна выполнять циклы раз за разом в течение определенного времени. Суммарная работа, выполненная в течение заданного времени в реальности, деленная на время дает еще одно важное понятие — мощность.

В середине XIX века были созданы первые тепловые машины. Они производили работу, но затрачивали большое количество теплоты, получаемой при сгорании топлива. Именно тогда физики-теоретики задались вопросами: «Как газ работает в тепловой машине? Как получить максимум работы при минимуме использования топлива?» Чтобы выполнить анализ работы газом, понадобилось ввести целую систему определений и понятий. Совокупность всех определений и создала целое научное направление, получившее название: «Техническая термодинамика». В термодинамике был принят ряд допущений, нисколько не умаляющих основные выводы. Рабочее тело — эфемерный газ (не существующий в природе), который может быть сжат до нулевого объема, молекулы которого не взаимодействуют между собой. В окружающей природе существуют только реальные газы, которые имеют вполне определенные свойства, отличимые от идеального газа.

Чтобы рассматривать модели динамики рабочего тела, были предложены законы термодинамики, описывающие основные термодинамические процессы, такие как:

изохорный процесс — это процесс, который выполняется без изменения объема рабочего тела. Условие изохорного процесса, v=const;

изобарный процесс — это процесс, который выполняется без изменения давления в рабочем теле. Условие изобарного процесса, P=const;

изотермический (изотермный) процесс — это процесс, который выполняется при сохранении температуры на заданном уровне. Условие изотермического процесса, T=const;

адиабатический процесс (адиабатный, так его называют современные теплотехники) — это процесс, совершаемый в пространстве без обмена теплотой с окружающей средой. Условие адиабатического процесса, q=0;

политропный процесс — это самый обобщенный процесс, который описывает все названные выше термодинамические процессы, а также все остальные возможные для совершения в цилиндре с подвижным поршнем.

Для идеальных газов, чью теплоёмкость можно считать постоянной, в случае квазистатического процесса адиабата имеет простейший вид и определяется уравнением:

где — его объём,.

— показатель адиабаты, итеплоёмкости газа соответственно при постоянном давлении и постоянном объёме.

График адиабаты (жирная линия) на диаграмме для газа.

— давление газа; - объём.

С учётом уравнения состояния идеального газа уравнение адиабаты может быть преобразовано к виду:

где — абсолютная температура газа. Или к виду:

Поскольку всегда больше 1, из последнего уравнения следует, что при адиабатическом сжатии (то есть при уменьшении) газ нагревается (возрастает), а при расширении — охлаждается, что всегда верно и для реальных газов. Нагревание при сжатии больше для того газа, у которого больше коэффициент .

Согласно закону Менделеева — Клапейрона ^[6] для идеального газа справедливо соотношение:

где R — универсальная газовая постоянная. Вычисляя полные дифференциалы от обеих частей уравнения, полагая независимыми термодинамическими переменными, получаем:

(3).

Если в (3) подставить из (2), а затем из (1), получим:

или, введя коэффициент.

:

.

Это уравнение можно переписать в виде:

что после интегрирования даёт:

.

Потенцируя, получаем окончательно:

что и является уравнением адиабатического процесса для идеального газа.