Термодинамиката е клон на физиката, който изучава процеси, чрез които топлинната енергия може да промени формата си. Често идеалните газове се изучават конкретно, тъй като не само са много по-лесни за разбиране, но много газове могат да бъдат приближени като идеални.
Конкретно термодинамично състояние се дефинира от променливи на състоянието. Те включват налягане, обем и температура. Изучавайки процесите, чрез които термодинамичната система се променя от едно състояние в друго, можете да придобиете по-задълбочено разбиране за основната физика.
Няколко идеализирани термодинамични процеси описват как състоянията на идеалния газ могат да се променят. Адиабатичният процес е само един от тях.
Държавни променливи, състояния и функции на процеса
Състоянието на идеалния газ във всеки един момент от времето може да бъде описано чрез променливите на състоянието налягане, обем и температура. Тези три количества са достатъчни за определяне на настоящото състояние на газа и изобщо не зависят от това как газът е получил текущото си състояние.
Други величини, като вътрешна енергия и ентропия, са функции на тези променливи на състоянието. Отново, държавните функции не зависят и от това как системата е попаднала в конкретното си състояние. Те зависят само от променливите, описващи състоянието, в което се намира в момента.
Процесните функции, от друга страна, описват процес. Топлината и работата са технологични функции в термодинамичната система. Топлината се обменя само по време на промяна от едно състояние в друго, точно както работата може да бъде извършена само когато системата променя състоянието.
Какво е адиабатен процес?
Адиабатичният процес е термодинамичен процес, който протича без пренос на топлина между системата и нейната среда. С други думи, състоянието се променя, може да се работи върху или от системата по време на тази промяна, но не се добавя или премахва топлинна енергия.
Тъй като нито един физически процес не може да се случи мигновено и нито една система не може наистина да бъде напълно изолирана, в действителност никога не може да се постигне напълно адиабатично състояние. Той обаче може да бъде приближен и много може да се научи, като се изучава.
Колкото по-бързо се случва процесът, толкова по-близо може да бъде до адиабатичен, защото колкото по-малко време ще има за пренос на топлина.
Адиабатни процеси и първият закон на термодинамиката
Първият закон на термодинамиката гласи, че промяната във вътрешната енергия на системата е равна на разликата в добавената към системата топлина и работата, извършена от системата. Във форма на уравнение това е:
\ Delta E = Q-W
КъдетоЕ.е вътрешната енергия,Въпрос:е топлината, добавена към системата иWе работата, извършена от системата.
Тъй като при адиабатен процес няма обмен на топлина, тогава трябва да е така, че:
\ Delta E = -W
С други думи, ако енергията напусне системата, това е резултат от работата на системата и ако енергията попадне в системата, тя е резултат директно от работата, извършена върху системата.
Адиабатно разширение и компресия
Когато системата се разширява адиабатно, обемът се увеличава, докато не се обменя топлина. Това увеличение на обема представлява работата, която системата извършва върху околната среда. Следователно вътрешната енергия трябва да намалее. Тъй като вътрешната енергия е право пропорционална на температурата на газа, това означава, че температурната промяна ще бъде отрицателна (температурата спада).
От закона за идеалния газ можете да получите следния израз за налягане:
P = \ frac {nRT} {V}
Къдетоне броят на бенките,Rе идеалната газова константа,Tе температурата иVе обем.
За адиабатично разширение температурата намалява, докато обемът се покачва. Това означава, че налягането също трябва да спадне, тъй като в горния израз числителят ще намалее, докато знаменателят ще се увеличи.
При адиабатна компресия се получава обратното. Тъй като намаляването на обема показва, че работата на системата се извършва от околната среда, това би дават положителна промяна във вътрешната енергия, съответстваща на повишаване на температурата (по-високо крайно температура).
Ако температурата се увеличава, докато обемът намалява, тогава налягането също се увеличава.
Един пример, който илюстрира приблизително адиабатен процес, често показан в курсовете по физика, е работата на пожарна спринцовка. Пожарната спринцовка се състои от изолирана тръба, която е затворена от единия край и която съдържа бутало от другия край. Буталото може да се натисне надолу, за да компресира въздуха в тръбата.
Ако малко парче памук или друг запалим материал се постави в епруветката при стайна температура и тогава буталото е натиснат много бързо, състоянието на газа в тръбата ще се промени с минимална топлина, която се обменя с външната страна. Повишеното налягане в тръбата, което се случва при компресия, кара температурата вътре в тръбата да се повиши драстично, достатъчно, така че малкото парче памук да изгори.
P-V диаграми
Aналягане-обемДиаграмата (P-V) е графика, която изобразява промяната в състоянието на термодинамичната система. В такава диаграма обемът се нанася върхух-ос и налягането се нанася върхуу-ос. Състоянието се обозначава с (х, у) точка, съответстваща на определено налягане и обем. (Забележка: Температурата може да се определи от налягането и обема, като се използва законът за идеалния газ).
Тъй като състоянието се променя от едно конкретно налягане и обем на друго налягане и обем, на диаграмата може да се направи крива, показваща как е настъпила промяната на състоянието. Например, един изобарен процес (при който налягането остава постоянно) би изглеждал като хоризонтална линия на P-V диаграма. Могат да се изчертаят и други криви, свързващи началната и крайната точка и в резултат на това да се извърши различен обем работа. Ето защо формата на пътя на диаграмата е от значение.
Адиабатичният процес се показва като крива, която се подчинява на връзката:
P \ propto \ frac {1} {V ^ c}
Където° Се съотношението на специфичните топлини cстр/° Сv (° Сстре специфичната топлина на газа за постоянно налягане, и° Сvе специфичната топлина за постоянен обем). За идеален едноатомен газ,° С= 1,66, а за въздуха, който е предимно двуатомен газ,° С = 1.4
Адиабатни процеси в топлинни двигатели
Топлинните двигатели са двигатели, които преобразуват топлинната енергия в механична чрез пълен цикъл от някакъв вид. На диаграма P-V цикълът на топлинния двигател ще образува затворен цикъл, като състоянието на двигателя завършва там, където е стартирало, но върши работа в процеса на придвижване дотам.
Много процеси работят само в една посока; обаче обратимите процеси работят еднакво добре напред и назад, без да нарушават законите на физиката. Адиабатичният процес е вид обратим процес. Това го прави особено полезен в топлинна машина, тъй като означава, че не преобразува никаква енергия в невъзстановима форма.
В топлинната машина общата работа, извършена от двигателя, е площта, съдържаща се в цикъла на цикъла.
Други термодинамични процеси
Други термодинамични процеси, обсъдени по-подробно в други статии, включват:
Изобарни процеси, които протичат при постоянно налягане. Те ще изглеждат като хоризонтални линии на P-V диаграма. Работата, извършена в един изобарен процес, е равна на стойността на постоянното налягане, умножена по промяната в обема.
Изохорен процес, който протича при постоянен обем. Те изглеждат като вертикални линии на P-V диаграма. Поради факта, че обемът не се променя по време на тези процеси, не се работи.
Изотермичните процеси протичат при постоянна температура. Подобно на адиабатните процеси, те са обратими. Въпреки това, за да бъде един процес напълно изотермичен, той трябва да поддържа постоянно равновесие, което би го направило означава, че би трябвало да се случва безкрайно бавно, за разлика от моментното изискване за адиабат процес.
