系统与外界没有热量交换情况下所进行的状态变化过程。绝热过程是为了便于分析计算而进行的简化和
抽象,它又是实际过程的一种近似,当过程进行得很快,
工质与外界来不及交换热量时,例如,叶轮式
压气机和气流流经喷管的过程等均可以近似作绝热过程处理。
大气层中的许多重要现象都和绝热变化有关。例如,在大气层的下层通常存在着温度随高度而递减,主要就是由于空气绝热混合的结果。导致水蒸汽凝结、云和雨形成的降温作用,主要是由于空气上升时温度下降的结果;晴朗的、干燥的天气通常是与空气下沉引起的增温变干作用有关。上升空气的降温作用和下沉空气的增温作用主要是由于空气的
绝热膨胀和
绝热压缩的结果。
当已知一个系统的状态方程时就容易求出它的各种等值过程方程。但没有哪个状态参量在绝热过程中保持不变,因此需要根据热力学定律求出它所要遵守的
微分方程,再进行积分才能求出气体的绝热过程方程。下面我们将要求出经典和量子理想气体(包括光子气体)的绝热过程方程,并进行一些必要的讨论。
理想气体绝热过程方程式可根据过程特点从能量方程导出 ,带入 ,整理得出 。如果近似地把比热当作定值,则
绝热指数( )也是定值。将整理出的上式积分可得经典理想气体绝热方程: 常数。
对于非相对论性的粒子,能量与动量的二次方成正比, 或 ,由这种粒子构成的理想气体,它的压强p同
能量密度u之间存在如下关系: ,根据热力学第一定律,绝热过程满足 ,可得 常量,这就是非相对论性粒子构成的理想气体(费米理想气体和玻色理想气体;其实包括经典理想气体)的绝热过程。
光子气体是极端相对论性的理想量子玻色气体,光子的静止质量等于零,它的能量与动量成正比, 或 ,所以光子气体的压强同能量密度之间存在如下关系: ,根据热力学第一定律,绝热过程满足 ,可得 常量,这是光子气体的绝热过程方程。
当利用 常数,以及由此而推得的其它结论,对定熵过程进行数值计算时,由于把比热当作定值,计算结果往往不够准确,尤其是当过程初、终温度变化范围较大时,有较大的误差。因此,在热力发动机要求准确度很髙的设计计算中,常常应用图表计算法,而不应用这些公式。但常数这个公式形式简单,用以作过程分析以求得各种因索的影响,并由此而对热机的工作过程作定性分析时极其方便,用作近似计算也有一定的实用价值。
根据
理想气体状态方程和绝热过程方程,联立求解可得各状态参数关系为: 和 ,以上关系式说明,当系统中气体可逆绝热膨胀时,p、T均降低;当系统中气体被绝热压缩时,p、T均升高。
由绝热过程方程可知,绝热过程在图1 p-v图中是一条高次双曲线,而可逆绝热过程为定熵过程,在图1 T-s图上为一条垂直线。如图1所示,图1中1-2为绝热膨胀过程,1-2‘为绝热压缩过程。今后为区别可逆绝热过程与
不可逆绝热过程(有
熵增),而把
可逆绝热过程称为
定熵过程。