Termodynamika je odvětví fyziky, které studuje procesy, kterými může tepelná energie měnit formu. Často se konkrétně studují ideální plyny, protože nejenže jsou mnohem snáze srozumitelné, ale mnoho plynů lze aproximovat jako ideální.
Konkrétní termodynamický stav je definován stavovými proměnnými. Patří mezi ně tlak, objem a teplota. Studiem procesů, kterými se termodynamický systém mění z jednoho stavu do druhého, můžete získat hlubší pochopení základní fyziky.
Několik idealizovaných termodynamických procesů popisuje, jak mohou stavy ideálního plynu procházet změnami. Adiabatický proces je jen jedním z nich.
Stavové proměnné, stavové funkce a procesní funkce
Stav ideálního plynu v kterémkoli okamžiku lze popsat stavovými proměnnými tlak, objem a teplota. Tyto tři veličiny jsou dostatečné pro stanovení současného stavu plynu a vůbec nezávisí na tom, jak plyn získal svůj aktuální stav.
Další veličiny, jako je vnitřní energie a entropie, jsou funkcemi těchto stavových proměnných. Státní funkce opět nezávisí na tom, jak se systém dostal do konkrétního stavu. Závisí pouze na proměnných popisujících stav, ve kterém se aktuálně nachází.
Procesní funkce na druhé straně popisují proces. Teplo a práce jsou procesní funkce v termodynamickém systému. Teplo se vyměňuje pouze při změně z jednoho stavu do druhého, stejně jako lze pracovat pouze při změně stavu systému.
Co je to adiabatický proces?
Adiabatický proces je termodynamický proces, který probíhá bez přenosu tepla mezi systémem a jeho prostředím. Jinými slovy, stav se mění, během této změny lze pracovat na systému nebo na něm, ale žádná tepelná energie se nepřidává ani neodebírá.
Protože k žádnému fyzickému procesu nemůže dojít okamžitě a žádný systém nemůže být skutečně dokonale izolován, nelze ve skutečnosti nikdy dosáhnout dokonale adiabatického stavu. Lze jej však přiblížit a jeho studiem se lze hodně naučit.
Čím rychleji proces probíhá, tím blíže může být adiabatický, protože tím méně času bude na přenos tepla.
Adiabatické procesy a první zákon termodynamiky
První zákon termodynamiky uvádí, že změna vnitřní energie systému se rovná rozdílu tepla přidaného do systému a práce systému. Ve formě rovnice je to:
\ Delta E = Q-W
KdeEje vnitřní energie,Qje teplo přidané do systému aŽje práce odvedená systémem.
Protože v adiabatickém procesu nedochází k výměně tepla, musí se stát, že:
\ Delta E = -W
Jinými slovy, pokud energie opouští systém, je to výsledek práce systému a pokud energie vstupuje do systému, je výsledkem přímo práce vykonané v systému.
Adiabatická expanze a komprese
Když se systém rozšiřuje adiabaticky, zvyšuje se objem, aniž by došlo k výměně tepla. Toto zvýšení objemu představuje práci systému v prostředí. Proto musí vnitřní energie klesat. Jelikož vnitřní energie je přímo úměrná teplotě plynu, znamená to, že změna teploty bude záporná (teplota klesá).
Ze zákona o ideálním plynu můžete získat následující výraz pro tlak:
P = \ frac {nRT} {V}
Kdenje počet krtků,Rje ideální plynová konstanta,Tje teplota aPROTIje objem.
Pro adiabatickou expanzi teplota klesá, zatímco objem stoupá. To znamená, že tlak by měl také klesat, protože ve výše uvedeném výrazu by se čitatel snížil, zatímco jmenovatel by se zvýšil.
Při adiabatické kompresi dochází k obrácení. Vzhledem k tomu, že snížení objemu naznačuje, že v systému probíhá práce v prostředí, bylo by to výtěžek pozitivní změny vnitřní energie odpovídající nárůstu teploty (vyšší konečné teplota).
Pokud teplota stoupá, zatímco objem klesá, zvyšuje se také tlak.
Jedním příkladem, který ilustruje přibližně adiabatický proces, který se často ukazuje na kurzech fyziky, je operace požární stříkačky. Požární stříkačka se skládá z izolované trubice, která je na jednom konci uzavřená a která na druhém konci obsahuje píst. Píst lze stlačit dolů a stlačit tak vzduch v trubici.
Pokud je do trubice při pokojové teplotě vložen malý kousek bavlny nebo jiného hořlavého materiálu, pak je to píst velmi rychle zatlačen dolů, stav plynu v trubici se změní s minimem výměny tepla s vnějškem. Zvýšený tlak v trubici, ke kterému dochází po stlačení, způsobí, že teplota uvnitř trubice dramaticky vzroste, natolik, že se malý kousek bavlny spálí.
P-V diagramy
Atlak-objem(P-V) diagram je graf, který zobrazuje změnu stavu termodynamického systému. V takovém diagramu je objem vynesen naX-osa a tlak je vynesen nay-osa. Stav je označen (x, y) bod odpovídající konkrétnímu tlaku a objemu. (Poznámka: Teplotu lze určit z tlaku a objemu pomocí zákona ideálního plynu).
Jak se stav mění z jednoho konkrétního tlaku a objemu na jiný tlak a objem, lze na diagramu nakreslit křivku označující, jak ke změně stavu došlo. Například izobarický proces (ve kterém tlak zůstává konstantní) by vypadal jako vodorovná čára na P-V diagramu. Mohou být nakresleny další křivky spojující počáteční a konečný bod, což by následně vedlo k různému množství práce. Proto je tvar cesty na diagramu relevantní.
Adiabatický proces se projevuje jako křivka, která se řídí vztahem:
P \ propto \ frac {1} {V ^ c}
KdeCje poměr specifických ohřevů cp/Cproti (Cpje měrné teplo plynu pro konstantní tlak aCprotije specifické teplo pro konstantní objem). Pro ideální monatomický plynC= 1,66 a pro vzduch, který je primárně diatomický plyn,C = 1.4
Adiabatické procesy v tepelných motorech
Tepelné motory jsou motory, které přeměňují tepelnou energii na energii mechanickou prostřednictvím celého nějakého cyklu. Na P-V diagramu bude cyklus tepelného motoru tvořit uzavřenou smyčku, přičemž stav motoru končí tam, kde začal, ale pracuje na tom, aby se tam dostal.
Mnoho procesů funguje pouze jedním směrem; reverzibilní procesy však fungují stejně dobře dopředu i dozadu, aniž by došlo k porušení fyzikálních zákonů. Adiabatický proces je druh reverzibilního procesu. Díky tomu je zvláště užitečný v tepelném motoru, protože to znamená, že nepřeměňuje žádnou energii na neobnovitelnou formu.
V tepelném motoru je celková práce vykonaná motorem oblast obsažená ve smyčce cyklu.
Další termodynamické procesy
Mezi další termodynamické procesy, které jsou podrobněji popsány v jiných článcích, patří:
Izobarické procesy, ke kterým dochází při konstantním tlaku. Na diagramu P-V budou vypadat jako vodorovné čáry. Práce prováděná v isobarickém procesu se rovná hodnotě konstantního tlaku vynásobené změnou objemu.
Izochorický proces, ke kterému dochází při stálém objemu. Vypadají jako svislé čáry na P-V diagramu. Vzhledem k tomu, že se objem během těchto procesů nemění, nedělá se nic.
Izotermické procesy probíhají při konstantní teplotě. Stejně jako adiabatické procesy jsou reverzibilní. Aby však byl proces dokonale izotermický, musí udržovat konstantní rovnováhu, což by bylo Znamená to, že by to muselo nastat nekonečně pomalu, na rozdíl od okamžitého požadavku na adiabatika proces.