Изохорное нагревание - увлекательный процесс, который происходит в нашей повседневной жизни. Давайте разберемся, что это такое, откуда появилось, как оно работает и что дает человеку. Узнаем много нового и полезного!
Основы изохорного нагревания
Изохорный процесс - это термодинамический процесс, который происходит при постоянном объеме. При этом два других параметра - давление и температура - изменяются. Таким образом, объем рабочего тела остается неизменным.
Изохорный (изохорический) процесс относится к основным процессам термодинамики и возможен исключительно при постоянном объеме.
Впервые это явление описал французский физик Гийом Амонтон в 1702 году. Он наблюдал за поведением газа в замкнутом сосуде при нагревании и охлаждении. Амонтон открыл, что давление газа прямо пропорционально его температуре. Эту зависимость впоследствии назвали законом Шарля и записали формулой:
p/T = const
где р - давление газа, Т - его температура.
Примеры изохорного нагревания
- Нагревание воздуха в закрытой комнате от радиатора
- Нагревание газа в цилиндре двигателя внутреннего сгорания
- Нагревание хладагента в замкнутом контуре холодильника
По сравнению с другими способами нагревания, изохорный процесс имеет то преимущество, что вся подводимая теплота идет на изменение внутренней энергии рабочего тела. Но есть и недостаток - объем не меняется, что ограничивает области применения.
Как происходит изохорное нагревание
Для осуществления изохорного нагревания газа необходимо выполнение двух условий:
- Постоянство объема сосуда, в котором находится газ
- Подвод теплоты к газу для повышения его температуры
Рассмотрим более подробно, что происходит при нагревании газа в замкнутом сосуде. При повышении температуры возрастает хаотическое движение молекул газа. Они начинают интенсивнее бомбардировать стенки сосуда. Но так как объем неизменен, то растет давление газа на стенки.
Одновременно увеличивается внутренняя энергия газа за счет теплоты, которая подводится извне. Согласно первому закону термодинамики, все количество подведенной теплоты направляется на изменение внутренней энергии, поскольку работа равна нулю:
Q = ΔU
где Q - подведенная теплота, ΔU - изменение внутренней энергии.
Таким образом, количество теплоты, необходимое для изохорного нагревания газа, численно равно приращению его внутренней энергии.
| Температура газа | Низкая | Высокая |
| Давление газа | Низкое | Высокое |
| Внутренняя энергия газа | Низкая | Высокая |
На графике изохорного процесса показано, что изохора имеет вид прямой линии, так как объем постоянный. А давление растет пропорционально температуре согласно закону Шарля.
Такова краткая суть того, как происходит изохорное нагревание газа в замкнутом объеме. Далее рассмотрим, где находит это применение на практике.
Применение изохорного нагревания
Одной из основных областей применения изохорного нагревания являются двигатели внутреннего сгорания, работающие по циклу Отто. Этот цикл используется в бензиновых и газовых двигателях автомобилей, тепловозов, судов и т.д.
Изохорный процесс в ДВС
В таком двигателе имеются два изохорных такта - впуск и выпуск рабочей смеси. На этих тактах объем цилиндра постоянный. А на тактах сжатия и рабочем ходе объем изменяется. Таким образом обеспечивается преобразование теплоты в механическую работу.
Для осуществления цикла Отто используется принудительное зажигание топливной смеси от свечи. Это позволяет увеличить степень сжатия газа в цилиндре в 7-12 раз.
Холодильные установки
Изохорный процесс широко используется также в холодильном оборудовании - холодильниках, морозильниках, кондиционерах. Здесь он применяется наряду с изотермическим и адиабатным процессами.
Последовательное выполнение этих процессов позволяет переносить теплоту от охлаждаемого объекта к объекту с более высокой температурой. Это достигается за счет испарения, сжатия, конденсации и расширения хладагента в замкнутом контуре.
Тепловые насосы
Еще одним перспективным направлением использования изохорного нагревания являются тепловые насосы. Они позволяют аккумулировать низкопотенциальное тепло и подавать его потребителю в виде тепла более высокого потенциала.
Так, теплоту грунта, воды или воздуха можно использовать для отопления зданий. Коэффициент преобразования может достигать 1 к 4-5, то есть на 1 кВт затраченной электроэнергии вырабатывается 4-5 кВт теплоты.
Рекомендации по применению
Чтобы повысить эффективность изохорного нагревания, рекомендуется:
- Максимально увеличивать степень сжатия рабочего тела
- Применять принудительное зажигание топливной смеси
- Использовать регенеративный теплообмен
При этом можно приблизиться к идеальному циклу и увеличить КПД установки. А значит, сократить затраты энергии на изохорное нагревание в технических устройствах.
