Adiabatikus kompresszió egy termodinamikai folyamat, ahol a rendszer belső energiája a hőmérséklet emelkedése következtében megnő.
Adiabatikus kompresszió nulla hőátadás jellemzi a rendszer és a környezet között. Az adiabatikus kompresszió során fellépő hőmérséklet-emelkedés nyomásnövekedéshez vezet, amely általában sokkal meredekebb, mint a térfogatcsökkenés sebessége.
Egy adiabatikus folyamat a következő kifejezéssel definiálható:
PVꝩ = Állandó
Ahol,
P = rendszernyomás
V: Rendszer hangereje
ꝩ = A gáz fajhőjének aránya (Cp/Cv)
Itt Cp a fajhő állandó nyomásviszonyok mellett, Cv pedig a fajhő állandó térfogati feltételek mellett. A fenti egyenletben azt tekintjük, hogy a rendszer tökéletesen el van szigetelve a környezettől úgy, hogy dQ=0, vagy nincs hőátadás a környezettel. A fenti kifejezések másik feltételezése az, hogy a gáznak ideális gáznak kell lennie (összenyomhatósági tényező =1)
A gyakorlati működésben az ideális viselkedést kevés gáz vagy gázösszetétel mutatja. Ezenkívül mindig hőveszteség lép fel a környezetbe, amikor egy rendszer napelemes munkát végez. Gyakorlati szempontból azonban a legtöbb gáz az ideálishoz közeli viselkedést mutat nyomás és hőmérséklet a forráspontjuk felett. Ilyen körülmények között a gázok ütközései tökéletesen rugalmasak, és az ütköző atomok közötti intermolekuláris erők szinte nem léteznek.
Kép|: rugalmas ütközés
Forrás: https://www.nuclear-power.com/nuclear-engineering/thermodynamics/ideal-gas-law/what-is-ideal-gas/
Egy másik praktikus az adiabatikus folyamatra példa a gázturbina művelet, ahol a változási folyamat nagyon raid. Ezekben a folyamatokban hőveszteség előfordul, de mennyisége a folyamatban leadott hőhez képest meglehetősen csekély, így ez jelentéktelen. Egy másik példa egy adiabatikus folyamat egy belső égésű motor kompressziós és expanziós löketei.
PV diagram löketszám egy IC-motorban
Image Source: https://engineeringinsider.org/adiabatic-process-types/
Mi az adiabatikus kompresszió?
A termodinamikában an adiabatikus folyamat dQ=0 jellemzi, ahol Q a környezővel átvitt szív.
Az adiabatikus kompresszió egy olyan folyamat, ahol az elvégzett PV munka negatív és a rendszer hőmérsékletének növekedését eredményezi. Ez a hőmérséklet-emelkedés növeli a rendszer belső energiáját.
Az adiabatikus tömörítés tökéletes szigetelést feltételez, ami pusztán elméleti. Az adiabatikus feltételezést azonban a mérnökök minden gyakorlati célból biztonságosan megtehetik olyan eljárásokban, amelyek meglehetősen jól szigeteltek vagy nagyon gyorsak.
Hogyan működik az adiabatikus tömörítés?
Az adiabatikus kompresszió ugyanazon az elven működik, mint a termodinamika első főtétele.
A termodinamika első főtétele azt mondja ki
dQ= dU + dW
In adiabatikus kompresszió, mivel a környezettel való hőátadás nulla, a fenti egyenlet így írható fel:
dU= -PdV
A fentiekből következik, hogy a belső energia növekedése megfelel a térfogat csökkenésének. A belső energia növekedését a rendszer hőmérsékletének emelkedése jelzi.
PV Egy adiabatikus folyamat diagramja
Forrás: https://engineeringinsider.org/adiabatic-process-types/
A tömörítés mindig adiabatikus?
A kompressziót összenyomható folyadékoknál végezzük, amelyek alapvetően gázok, és különböző termodinamikai utakon megy végbe.
A gázsűrítési eljárás termodinamikailag háromféle lehet: – Izoterm, adiabatikus és politropikus kompresszió. Mindezek a különböző típusú tömörítések eltérő terminális feltételekhez vezethetnek azonos mennyiségű munka mellett.
Izotermikus kompresszió: Ahogy a neve is sugallja, ez a fajta kompresszió állandó hőmérsékleten megy végbe. Ezt úgy érik el, hogy a kompresszortestet burkolattal ellátott hűtőfolyadékkal látják el, és vagy fokozatok közötti hűtést biztosítanak. A gyakorlati alkalmazásokban azonban nagyon nehéz teljes izoterm kompressziót elérni. Közeli izotermikus összenyomás érhető el, ha a kompressziós folyamatot nagyon lassú ütemben hagyjuk végbemenni, és elegendő időt biztosítunk a folyamat során keletkező hő eltávolításához. Az izotermikus kompressziót a kifejezés adja meg
PV = állandó
Adiabatikus kompresszió: Ez a fajta tömörítés megköveteli, hogy a kompressziót hőveszteség vagy hőnyerés nélkül hajtsák végre a környezetből. Ugyanennek eléréséhez tökéletesen szigetelt rendszerre van szükség. Egy másik módszer az eléréshez adiabatikus kompresszió A tömörítést nagyon gyors ütemben kell végrehajtani, hogy ne legyen idő a hő átadására a rendszerből a környezetbe. Az adiabatikus tömörítést a következő kifejezés adja meg:
PVꝩ= állandó, ahol ꝩ a sűrített gáz fajhőinek aránya.
Politropikus kompresszió: A politropikus kompresszió határozza meg a valós kompressziós rendszerekben, például a gázkompresszorokban végbemenő tényleges tömörítési folyamatokat. A politropikus tömörítési folyamat kifejezéssel adjuk meg:
PVn = Állandó, ahol n 1-1.4 között változik
Adiabatikus tömörítési képlet
Az adiabatikus kompressziós képlet a termodinamika első főtételéből származik, figyelembe véve, hogy nincs hőátvitel a rendszerbe és onnan.
Az adiabatikus kompresszió képlete többféle formában is kifejezhető, azaz PV formában, TV formában és PT formában, ahol P, V és T a nyomás, térfogat és hőmérséklet.
Az adiabatikus kompresszió nyomás és hőmérséklet formában a következőképpen adódik:
P1-Ꝩ Tꝩ = Állandó
Az adiabatikus tömörítés térfogat és hőmérséklet formában:
TVꝩ-1= Állandó
Az adiabatikus kompresszió nyomás és térfogat formában a következőképpen adódik:
PVꝩ= Állandó
Hogyan kell kiszámítani az adiabatikus kompressziót?
Az adiabatikus kompresszió a PV képlet segítségével számítható kiꝩ= Állandó.
A hengerben gázt összenyomó dugattyút adiabatikus folyamatnak nevezzük, amikor a hőátadás a környezet felé nulla. Ilyen esetben, ha ismertek a kezdeti feltételek (P1 és V1), valamint a gáz fajhője (ꝩ) aránya, akkor a végfeltételek (P2, V2) bármelyike elérhető, ha egyet megadunk. Így a képlet így alakul:
P1V1ꝩ= P2V2ꝩ
Mi okozza az adiabatikus kompressziót (irreleváns)
Adiabatikus tömörítésben végzett munka
Az adiabatikus folyamatban végzett munka az adiabatikus folyamat képletéből származtatható
PVꝩ= Állandó (K). Ez a képlet átírható P=KV-ra-ꝩ
Az elvégzett munka kiszámításához adiabatikus folyamat , vegyük figyelembe, hogy a rendszer a P1, V1 és T1 kezdeti helyzetéből a P2, V2 és T2 végső pozícióba van tömörítve. Az elvégzett munkát az adja
Elvégzett munka (W) = erő x elmozdulás
W= Fdx
W=PAdx
W=P(Adx)
W=PdV
A V1-ről V2-re történő tömörítés során végzett munka kiszámításához a PdV-t integrálni kell V1 és V2 határértékekkel
Vagy W=
Vagy W=dV Ahol P=KV-ꝩ
Ez megadható a adiabatikus folyamatban végzett munka.
Tovább integrálva megkapjuk a következőképpen végzett munka végső kifejezését
W=1/(1−γ) {P2V2−P1V1}
Mi az adiabatikus folyamatban végzett munka
Az adiabatikus folyamat lehet adiabatikus tömörítés vagy adiabatikus expanzió.
Abban az esetben, ha megrendelésednél adiabatikus tömörítés, a munkát a környezet végzi a rendszeren és az adiabatikus expanzióban munkát a rendszer végzi a környezeten. Az adiabatikus eljárással végzett munka megegyezik az adiabatikus tömörítéssel vagy expanzióval végzett munkával.
Egy példa adiabatikus expanzió a forró levegő felemelkedése a légkörben, amely az alacsonyabb légköri nyomás hatására adiabatikusan kitágul, és ennek hatására lehűl. Ebben az esetben a munkát a felszálló forró levegő végzi, a munkát pedig a rendszer végzi.
A munka negatív az adiabatikus kompresszióban?
Igen, a rendszer által az adiabatikus tömörítés során végzett munka negatív.
Az adiabatikus kompresszió a rendszer belső energiájának növekedésével megy végbe. Az első törvényből tudjuk termodinamika mivel a dQ az adiabatikus tömörítésben nulla,
dU + dW=0
vagy dU=-dW
dU és dW negatív kapcsolatban áll egymással. Így, mivel a belső energiaváltozás pozitív, az elvégzett munka negatív.
Az összefüggést az is megerősítheti, hogy az adiabatikus kompresszió során, mint a belső energia emelkedik, a munkát a környezet végzi a rendszeren, ezért a rendszer által a környezeten végzett munka negatív.
Éppen ellenkezőleg: a rendszer által a környezeten végzett munka az adiabatikus tágulás során pozitív.
Hogyan számítja ki az Adiabatikus folyamatban végzett munkát?
Adiabatikus folyamat akkor érhető el, ha a gáz tágulása vagy összenyomása tökéletesen szigetelt rendszerben történik, vagy olyan gyorsan megy végbe, hogy a hőátadás a környezetbe elhanyagolható.
Matematikailag nincs különbség az adiabatikus expanzió és az adiabatikus tömörítés között, ezért ugyanazokat a képleteket és levezetéseket követik.
Így az adiabatikus tömörítéshez használt összes képlet, amelyet fent említettünk, minden adiabatikus folyamatra igaz.
Az adiabatikus tömörítés visszafordítható?
Az adiabatikus tömörítés reverzibilis, ha az entrópia nem változik
Egy folyamatot reverzibilisnek nevezünk, ha izentropikus, vagy nincs változás a rendszer entrópiájában vagy dS=0. Az adiabatikus kompresszió az, ahol nincs változás a hőátadás a környezettel. Ahhoz, hogy az adiabatikus tömörítés visszafordítható legyen, a tömörítési folyamatnak súrlódásmentesnek kell lennie.
An példa a reverzibilis adiabatikusra A kompresszió, amelyet izentropikus kompressziónak is neveznek, megtalálható a gázturbinában vagy a modern sugárhajtóművekben. Ezt a gázt A turbinák a Brayton-ciklust követik az alábbiak szerint.
A fenti ábrán Az ideális Brayton ciklus négy termodinamikai folyamatból áll.
1. szakasz -> 2. szakasz: Izoentropikus kompresszió
2. fokozat-> 3. fokozat: Izobár fűtés
3. szakasz -> 4. szakasz: Isoentropikus expanzió
