|
Рассмотрим еще один типичный необратимый процесс в реальном газе - адиабатное расширение газа в вакуум без отдачи внешней работы. Напомним, что экспериментальное изучение процесса адиабатного расширения без отдачи внешней работы газа, близкого к идеальному, позволило Гей-Люссаку, а затем Джоулю установить, что температура идеального газа в результате этого процесса не изменяется; это в свою очередь позволило установить важное свойство идеального газа — независимость внутренней энергии от объема.
Выясним теперь закономерности процесса адиабатного расширения реального газа в вакуум. Схема осуществления процесса остается прежней: рассматривается сосуд, разделенный выдвигающейся перегородкой на две части — одну, имеющую объем V (эта часть сосуда заполнена газом, его температура 7"!), и другую, имеющую объем VBaK (в этой части сосуда создан вакуум). Сосуд снабжен идеальной теплоизоляцией, исключающей теплообмен с внешней средой. Перегородка выдвигается, и газ расширяется в объем Увак; в результате расширения давление газа уменьшается, а его объем становится равным всему объему сосуда: V2=Vi+VBaK
Выясним, как изменяются в результате опыта температура газа и его энтропия. Напомним, что в случае, когда давление внутри системы (в данном случае давление газа в объеме Vi) не равно давлению окружающей среды (в данном случае в объеме VBa.K), т.е. когда процесс расширения системы происходит неравновесно, дифференциал работы расширения следует записывать в виде pcdV, где рс — давление окружающей среды; следовательно, уравнение первого закона термодинамики для случая неравновесного процесса расширения может быть записано в виде dQ = dU+pcdV.
Применительно к рассматриваемому процессу адиабатного (dQ=0) расширения реального газа в вакуум (рс=0 и, следовательно, dL=pcdV=0— газ расширяется, не совершая работы) т. е. в процессе адиабатного расширения газа в вакуум внутренняя энергия газа остается неизменной (применительно к идеальному газу этот вывод уже был получен ранее, при рассмотрении опыта Гей-Люссака — Джоуля).
В процессе расширения в вакуум газ вначале приобретает кинетическую энергию за счет убыли внутренней энергии. Затем в результате полного торможения потока газа по окончании его перетекания в ранее вакуумированную часть сосуда внутренняя энергия восстанавливается до начального значения. Этот процесс происходит уменьшение внутренней энергии, в результате которого возникает кинетическая энергия перемещения рабочего тела, а на участке 2'-2 происходит восстановление внутренней энергии в результате процесса торможения. В этом процессе Mi=«2, т. е. внутренняя энергия газа по окончании процесса равна внутренней энергии до начала процесса, хотя в течение самого процесса расширения в соответствии со сказанным выше внутренняя энергия газа вначале уменьшается, а затем возрастает до прежнего значения. В связи с этим очевидна некоторая условность равенства Однако если представить себе каскад подобных элементарных процессов, т. е. процессов заполнения рабочим телом большого количества последовательно подключаемых вакуумированных элементарных сосудов, то в пределе процесс будет стремиться Вновь подчеркнем важное обстоятельство, уже отмечавшееся в предыдущем параграфе. Для того чтобы иметь возможность воспользоваться для расчета изменения температуры и энтропии дифференциальными уравнениями термодинамики, которые, как известно, справедливы только для обратимых процессов
|
