绝热过程与等温过程有何不同?

发布于 2016-07-23 09:59

绝热过程 (Adiabatic Process) 与等温过程 (Isothermal Process) 是热力学在讨论热变化时,常见的能量变化过程。要了解绝热过程与等温过程有何不同及两者差异,可以先从了解卡诺热循环热机下手。本文分成以下几部分,为您提供一些参考资料:

什么是卡诺循环热机 (Carnot Heat Engine)

什么是绝热过程 (Adiabatic Process)

什么是等温过程 (Isothermal Process)

卡诺循环 (Carnot Cycle)

热分析仪与量热仪

什么是卡诺循环热机 (Carnot Heat Engine)?

卡诺热机”是用来描述一个热力系统吸热放热过程的虚拟模型。热力系统从一高温发热装置吸热,然后放热给一个散热装置,期间历经四个过程:

  1. 等温膨胀 (Isothermal Expansion)
  2. 绝热膨胀 (Adiabatic Expansion)
  3. 等温压缩 (Isothermal Compression)
  4. 绝热压缩 (Adiabatic Compression)

下图便是典型的卡诺热循环机的模型。中间黄色的机构是热力系统,里面装有参与运作的流体物质 (液体、气体、蒸气)。热力系统从左侧的红色发热装置吸热,并放热给右侧蓝色的吸热装置,我们假设发热系统与吸热系统都有无限的容量,可无限大供给热能与吸收热能。

(注:关于热能可逆性的论述,为避免本文内容过于复杂,不在本文中讨论。请参考其他专业论文)

Carnot Heat Engine
卡诺热循环机模型

 

 

Expansion & Compression of Thermodynamic System
热力系统的膨胀与压缩
  • TH:发热装置(高温)的温度
  • TC:散热装置(低温)的温度
  • QH:等温膨胀过程中,热力系统从高温发热装置吸收的热量
  • QC:等温压缩过程中,热力系统释放给低温散热装置的热量
  • W:绝热膨胀过程中,热力系统以机械能对外部作功,或是绝热压缩过程中,外部以机械能对热力系统作功
  • U:热力系统内能 (Internal Energy)

什么是绝热过程 (Adiabatic Process)?

在一热力系统的运作过程中,没有任何能量以热的形式,从外部进出这个系统,只有系统内部能量(温度)变化,并转为机械能,可以是膨胀(系统对外部以压力作功)或收缩(外部对系统以压力作功),膨胀与压缩造成的内能变化,以及对外界作用的功,可用 ΔU = W 表示。虽然绝热过程,阻隔了系统与外部的热量传递,但系统内的能量温度不是恒定的。

Adiabatic Process
绝热过程示意图

什么是等温过程 (Isothermal Process)?

在一热力系统的运作过程中,系统内部温度维持恒定,ΔU = ΔT = 0。

但与外部有热量的传递,吸收或放出的热量,直接转为机械能,如膨胀(系统对外部以压力作功)或压缩(外部对系统以压力作功),Q = W。

Isothermal Process
等温过程示意图

卡诺循环 (Carnot Cycle)

综合以上的概念,重新把卡诺循环热机的四个步骤结合起来,以压力体积图来表示,更容易理解卡诺热机的四个循环步骤:

卡諾熱機的壓力-體積曲線
卡诺热机的压力-体积曲线

T1, T2两条曲线,代表在恒温状况下,热力系统中的流体物质,其压力与体积的相对变化(压力增大,体积缩小)。图中 T1 的 P-V 曲线所代表的温度,高于 T2 的温度。

从卡诺循环的压力-体积图可以了解,在等温膨胀与等温压缩的过程中,由外部提供热能QH,或吸收热能QC。因此,即使压力变化,系统可保持恒温 (沿着已知的恒温 P-V 曲线移动)。物质体积膨胀变大,压力变小;物质体积压缩变小,压力变大。

而绝热压缩与绝热膨胀的过程中,没有外部热能 Q 进出热力系统,压力体积的相对变化一样,但膨胀的过程,造成内能下降、温度降低。压缩的过程,则是让内部温度上升。

 

热分析仪与量热仪

在现实的世界中,这样的理想的曲线,并不存在。因此要了解物质在等温或在绝热过程中的压力、体积、温度的实际相对关系,需要一部理想的热分析仪来进行量测,并替您制造出绝热或等温条件。

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