Расширение вязкого газа

[Degen1103]

Спасибо за разъяснение. (Про трубу - вначале упоминается аэродинамическая, поскольку говорилось о самолёте, а потом мысль плавно перетекает к обычной).

Итак, трение в трубе разгоняет вязкий газ с нулевым дроссель-эффектом, снижается и температура торможения, и , само собой, статическая. В большинстве случаев дроссель-эффект приводит к дополнительному охлаждению. Отдельное спасибо - за отличное замечание про разницу "выделения тепла" и "нагрева"!

Остался последний шаг. Как бы чётко выразить, что уменьшение располаемого теплоперепада при течении вязкого газа с соответствующим повышением конечной температуры (сравнительно с изоэнтропийным расширением) не означает, что "газ нагрелся из-за трения"?

[realeugene]

Degen1103 в сообщении #1152151 писал(а):

снижается и температура торможения

Температура торможения в трубе остаётся постоянной. А температура газа - снижается. Длоссель-эффект считается между остановленными участками потока.

Термодинамические температура и давление, входящие в уравнение состояния газа, всегда относятся к неподвижному относительно потока датчику, так как являются параметрами локального равновесия. Движущийся макроскопически поток неравновесен, "температура торможения" и "полное давление" - это технические величины, связанные с термодинамическими, но не эквивалентные им.

Degen1103 в сообщении #1152151 писал(а):

уменьшение располаемого теплоперепада

Впервые вижу этот термин. Это что такое?

[Degen1103]

Да, действительно, спасибо, $T_0$ остаётся постоянной (без дроссель-эффекта), это я заврался.
"Располагаемый теплоперепад" - разность энтальпий в обратимом процессе расширения от начального давления (торможения) до конечного (статического).

[realeugene]

Degen1103 в сообщении #1152158 писал(а):

"Располагаемый теплоперепад" - разность энтальпий в обратимом процессе расширения от начального давления до конечного.

А в необратимом? И при каких условиях производится это обратимое расширение? Изотермически? Адиабатически? Изохорически? Ещё как-нибудь?

Впрочем, изохорически расширяться газ не может.

[Degen1103]

Речь о вертикальном отрезке на h-s диаграмме. Идеальный невязкий газ так расширяется по адиабате и температура его снижается до некоторого значения. У вязкого газа при расширении до того же давления температура (и энтропия) будут выше. Меня именно эта разница температур терзает.

[realeugene]

Для любой системы без химических реакций $\left(\frac{\partial H}{\partial S}\right)_p=T>0$, так что, нет ничего удивительного, что при возрастании энтропии возрастает и энтальпия. Значит, перейдя в конечное состояние, газ совершил меньшую работу.

[Degen1103]

Да, конечно, вязкий газ совершает меньшую работу, потому и не достигает такой температуры, как идеальный. Но не соответствует ли эта разница температур той самой теплоте трения, которая газ не греет, а только повышает энтропию? Вот что беспокоит...

[realeugene]

Degen1103 в сообщении #1152246 писал(а):

Да, конечно, вязкий газ совершает меньшую работу, потому и не достигает такой температуры, как идеальный.

Рассмотрите два газа с одинаковым уравнением состояния, но с разной вязкостью. Газ, вязкость у которого больше, в адиабатическом процессе из одного и того же состояния совершит меньшую работу, следовательно, у него температура в конечном состоянии будет выше. И "тепло", как и работа, не есть функция состояния, в отличие от энтропии. Тепло - это энергия в процессе теплопередачи, так что, если нет теплопередачи, то, строго говоря, нельзя говорить и про количество тепла.

[Degen1103]

Т.е. окончательная цепочка рассуждений такая:
1. Трение не меняет температуру торможения идеального вязкого газа, но увеличивает энтропию.
2. Увеличение энтропии равносильно снижению работоспособности.
3. Вследствие этого фактический теплоперепад оказывается меньше располагаемого.
4. Вязкий газ совершает меньшую работу, нежели идеальный, и
5. Температура в конце расширения оказывается выше, чем на изоэнтропе.
6. Однако неверно утверждать, что разница температур соответствует выделившейся теплоте трения, поскольку теплопередача в адиабатическом процессе отсутствует.

Вроде всё так, но п.6 выглядит как-то неубедительно... М.б. действительно, лучше мыслить в категориях разрушения эксергии, но поможет ли выбраться из этих трёх сосен?...

-- 18.09.2016, 19:01 --

А, вот почему неубедительно: в стационарном процессе течение с трением требует совершения работы для поддержания начальных параметров. Эта-то работа и переходит в теплоту трения, которая... (повторяется сказка про белого бычка).

[realeugene]

Degen1103 в сообщении #1152317 писал(а):

6. Однако неверно утверждать, что разница температур соответствует выделившейся теплоте трения, поскольку теплопередача в адиабатическом процессе отсутствует.

В некотором смысле, это как раз верно.
В координатах $(p, S)$ температура есть функция состояния $T=T(p, S)$ для одного и того же газа с различными вязкостными потерями. Так что, изменение температуры при том же давлении выхлопа как раз однозначно соответствует повышению энтропии. Просто, для другого газа или другого давления выхлопа эта связь будет иной.

[Degen1103]

А, так всё-таки он нагревается!

[realeugene]

Просто, выхлоп получается более горячим при том же давлении.

[Degen1103]

С Астрофорума (о возможной причине взрыва SpaceX):

Цитата:

Злые языки говорят, что случилось следующее: в начале заправки гелия в COPV, когда давление в баллоне намного ниже давления в магистрали, происходит адиабатическое охлаждение втекающего гелия. Поскольку COPV к тому времени уже погружен в переохлажденный жидкий кислород, температура которого практически равна температуре кристаллизации, это охлаждение приводит к тому что на внешней поверхности COPV образуются льдинки из кислорода в микрозазорах между волокнами. При подъеме давления в COPV он раздувается и эти льдинки сжимаются. Налицо горючее (углерод), окислитель, и давление - произошло спонтанное загорание, от него COPV разорвало, и гелий разорвал всю ракету.

Ссылка на источник.

Такой вот Гей с Люссаком Вроде бы дроссель-эффект у гелия отрицательный, и вообще шарики при набивке обычно охлаждать приходится... Что-то мне эта адиабата не нравится... Вкупе со сжатием кислородного льда...