Adiabatická komprese: Co je, funguje, příklady a vyčerpávající FAKTA

Adiabatická komprese je termodynamický proces, kdy se vnitřní energie systému zvyšuje v důsledku nárůstu teploty.

Adiabatická komprese se vyznačuje nulovým přenosem tepla mezi systémem a okolím. Zvýšení teploty během adiabatické komprese vede ke zvýšení tlaku, který je normálně pozorován jako mnohem strmější než rychlost poklesu objemu.

Adiabatický proces lze definovat výrazem:

PV= Konstantní

Kde,

                P= Systémový tlak

                V: Hlasitost systému

                ꝩ = poměr měrného tepla plynu (Cp/Cv)

Zde Cp je měrné teplo za podmínek konstantního tlaku a Cv je měrné teplo za podmínek konstantního objemu. Ve výše uvedené rovnici se uvažuje, že systém je dokonale izolován od okolí tak, že dQ=0, neboli žádný přenos tepla s okolím. Dalším předpokladem výše uvedených výrazů je, že plyn musí být ideální plyn (faktor stlačitelnosti =1)

V praktickém provozu vykazuje ideální chování málo plynů nebo složení plynů. Navíc vždy dochází ke ztrátám tepla do okolí, když systém provádí FV práci. Pro všechny praktické účely však většina plynů vykazuje téměř ideální chování při tlak a teplota nad jejich bodem varu. Za těchto podmínek jsou srážky mezi plyny dokonale elastické a mezimolekulární síly mezi srážejícími se atomy téměř neexistují.

adiabatická komprese

Obrázek|: elastická kolize

Zdroj: https://www.nuclear-power.com/nuclear-engineering/thermodynamics/ideal-gas-law/what-is-ideal-gas/

Další praktická příkladem adiabatického procesu je plynová turbína operace, kde je proces změny velmi náročný. V těchto procesech dochází k tepelným ztrátám, ale jejich množství je poměrně nízké ve srovnání s teplem přeneseným v procesu, takže je nevýznamné. Další příklad an adiabatický proces je kompresní a expanzní zdvih spalovacího motoru.

Schéma ICE PV

PV diagram zdvihů v IC motoru

Zdroj obrázku: https://engineeringinsider.org/adiabatic-process-types/

Co je adiabatická komprese?

V termodynamice an adiabatický proces je charakterizována dQ=0, kde Q je srdce přenesené s okolím.

Adiabatická komprese je proces, při kterém je odvedená FV práce negativní a má za následek zvýšení teploty systému. Tento nárůst teploty zvyšuje vnitřní energii systému.

Adiabatická komprese předpokládá dokonalou izolaci, která je čistě teoretická. Adiabatický předpoklad však mohou inženýři bezpečně provést pro všechny praktické účely v procesech, které jsou poměrně dobře izolované nebo které jsou velmi rychlé. 

Adiabatická komprese, jak to funguje?

Adiabatická komprese funguje na stejných principech jako první zákon termodynamiky.

První zákon termodynamiky říká, že

dQ = dU + dW

In adiabatická kompreseProtože přenos tepla s okolím je nulový, lze výše uvedenou rovnici zapsat jako:

dU= -PdV

Z výše uvedeného vyplývá, že zvýšení vnitřní energie odpovídá zmenšení objemu. Nárůst vnitřní energie je indikován zvýšením teploty systému.

pv diagram ap

PV Schéma adiabatického procesu

Zdroj: https://engineeringinsider.org/adiabatic-process-types/

Je komprese vždy adiabatická?

Komprese se provádí pro stlačitelné tekutiny, což je v podstatě plyn, a probíhá různými termodynamickými cestami.

Proces komprese plynu může být termodynamicky tří typů: – Izotermická, adiabatická a polytropická komprese. Všechny tyto různé typy kompresí mohou vést k různým koncovým podmínkám pro stejné množství vykonané práce.

Izotermická komprese: Jak název napovídá, k tomuto typu komprese dochází při konstantní teplotě. Toho je dosaženo zajištěním chladicí kapaliny v plášti přes tělo kompresoru a nebo zajištěním mezistupňového chlazení. V praktických aplikacích je však velmi obtížné dosáhnout úplné izotermické komprese. Blízké izotermické kompresi lze dosáhnout tím, že se nechá proces stlačování podstoupit velmi pomalým tempem s dostatečným časem k odstranění tepla generovaného v procesu. Izotermická komprese je dána výrazem

PV = konstantní

Adiabatická komprese: Tento typ komprese vyžaduje, aby komprese byla prováděna bez ztráty nebo zisku tepla z okolí. K tomu je zapotřebí dokonale izolovaný systém. Další způsob, jak dosáhnout adiabatická komprese je provádět kompresi velmi rychlým tempem, takže není poskytnut žádný čas na přenos tepla ze systému do okolí. Adiabatická komprese je dána výrazem:

PV= konstanta, kde ꝩ je poměr měrných tepl stlačovaného plynu.

Polytropní komprese: Polytropní komprese definuje skutečné kompresní procesy probíhající v reálných kompresních systémech, jako jsou ty v plynovém kompresoru. A proces polytropické komprese je dáno výrazem:

PVn = Konstanta, kde n se pohybuje od 1-1.4

Formule adiabatické komprese

Vzorec adiabatické komprese je odvozen z prvního zákona termodynamiky s ohledem na to, že nedochází k přenosu tepla do a ze systému.

Vzorec pro adiabatickou kompresi může být vyjádřen v různých formách, tj. ve formě PV, ve formě TV a ve formě PT, kde P, V a T jsou tlak, objem a teplota.

Adiabatická komprese ve formě tlaku a teploty je dána:

P1- T = Konstantní

Adiabatická komprese ve formě objemu a teploty:

TVꝩ-1= Konstantní

Adiabatická komprese v tlakové a objemové formě je dána:

PV= Konstantní

Jak vypočítat adiabatickou kompresi?

Adiabatickou kompresi lze vypočítat pomocí vzorce PV= Konstantní.

Píst stlačující plyn ve válci budeme nazývat adiabatický proces, kdy je přenos tepla do okolí nulový. V takovém případě, pokud jsou známy počáteční podmínky (P1 a V1) spolu s poměrem měrného tepla plynu (ꝩ), lze získat kteroukoli z konečných podmínek (P2, V2), pokud je specifikována. Vzorec se tedy stává:

P1V1= P2V2

Co způsobuje adiabatickou kompresi (irelevantní)

Práce provedená v adiabatické kompresi

Práci vykonanou v adiabatickém procesu lze odvodit ze vzorce pro adiabatický proces

PV= Konstanta (K). Tento vzorec lze přepsat jako P=KV-ꝩ

Aby bylo možné vypočítat práci vykonanou v adiabatický proces Předpokládejme, že systém je stlačen z počáteční polohy P1, V1 a T1 do konečné polohy P2, V2 a T2. Odvedená práce je dána

Hotová práce (W) = síla x posunutí

W = Fdx

W=PAdx

W=P(Adx)

W=PdV

Aby bylo možné vypočítat práci vykonanou během komprese z V1 na V2, PdV je nutné integrovat s limity V1 a V2

Nebo W=

Nebo W=dV Kde P=KV-ꝩ

To lze uvést jako práce provedená v adiabatickém procesu.

Další integrací získáme konečný výraz pro práci vykonanou jako

  W=1/(1−γ) {P2​V2​−P1​V1​​}

Jaká je práce vykonaná v adiabatickém procesu

Adiabatickým procesem může být adiabatická komprese nebo adiabatická expanze.

V případě adiabatická komprese, práci vykonává okolí na systému a při adiabatické expanzi pracuje systém na okolí. Práce vykonaná v adiabatickém procesu je stejná jako práce vykonaná v adiabatické kompresi nebo expanzi.

Příkladem adiabatické expanze je stoupání horkého vzduchu v atmosféře, který se vlivem nižšího atmosférického tlaku adiabaticky rozpíná a v důsledku toho se ochlazuje. V tomto případě práci vykonává stoupající horký vzduch a práci systém.

Je práce při adiabatické kompresi negativní?

Ano, práce provedená systémem během adiabatické komprese je negativní.

Adiabatická komprese probíhá se zvýšením vnitřní energie systému. Víme z prvního zákona termodynamika že protože dQ v adiabatické kompresi je nula,

dU + dW=0

nebo dU=-dW

dU a dW spolu sdílejí negativní vztah. Jelikož je tedy vnitřní změna energie pozitivní, vykonaná práce je negativní.

Tento vztah může být také potvrzen tím, že při adiabatické kompresi jako vnitřní energie stoupá, práce je vykonána okolím na systému, a proto je práce vykonaná systémem na okolí negativní.

Naopak, práce vykonávaná systémem na okolí během adiabatické expanze je pozitivní.

Jak vypočítáte práci vykonanou v adiabatickém procesu?

Adiabatického procesu lze dosáhnout, pokud expanze nebo stlačování plynu probíhá v dokonale izolovaném systému nebo je prováděno tak rychle, že přenos tepla do okolí je zanedbatelný.

Matematicky neexistuje žádný rozdíl mezi adiabatickou expanzí a adiabatickou kompresí, a proto se řídí stejnými vzorci a odvozeninami.

Všechny výše uvedené vzorce použité pro adiabatickou kompresi tedy platí pro jakýkoli adiabatický proces.

Je adiabatická komprese reverzibilní?

Adiabatická komprese je reverzibilní, pokud nedochází ke změně entropie

Proces se nazývá reverzibilní, pokud je isentropický nebo nedochází k žádné změně entropie systému nebo dS=0. Adiabatická komprese je ta, kde nedochází k žádné změně přenos tepla s okolím. Aby byla adiabatická komprese reverzibilní, musí být proces komprese bez tření.

An příklad reverzibilní adiabatické komprese, která se také nazývá izoentropická komprese, lze nalézt v plynové turbíně nebo moderních proudových motorech. Tento plyn Turbíny sledují Braytonův cyklus jak je uvedeno níže.

Isentripická komprese

Na výše uvedeném obrázku je ideál Braytonův cyklus sestává ze čtyř termodynamických procesů.

Fáze 1-> Fáze 2: Izoentropická komprese

Stupeň 2-> Stupeň 3: Izobarický ohřev

Fáze 3-> Fáze 4: Iso entropická expanze