Adiabatiske processer: definition, ligning og eksempler

Termodynamik er en gren af ​​fysikken, der studerer processer, hvormed varmeenergi kan ændre form. Ofte undersøges ideelle gasser specifikt, fordi de ikke kun er meget lettere at forstå, men mange gasser kan tilnærmes som ideelle.

En bestemt termodynamisk tilstand defineres af tilstandsvariabler. Disse inkluderer tryk, volumen og temperatur. Ved at studere de processer, hvorved et termodynamisk system skifter fra en tilstand til en anden, kan du få en dybere forståelse af den underliggende fysik.

Flere idealiserede termodynamiske processer beskriver, hvordan tilstande for en ideel gas kan gennemgå ændringer. Den adiabatiske proces er blot en af ​​disse.

Tilstanden af ​​en ideel gas på et hvilket som helst tidspunkt kan beskrives ved tilstandsvariablerne tryk, volumen og temperatur. Disse tre mængder er tilstrækkelige til at bestemme den aktuelle tilstand for gassen og er slet ikke afhængige af, hvordan gassen opnåede sin nuværende tilstand.

Andre størrelser, såsom intern energi og entropi, er funktioner i disse tilstandsvariabler. Igen afhænger tilstandsfunktioner heller ikke af, hvordan systemet kom i sin særlige tilstand. De afhænger kun af de variabler, der beskriver den tilstand, den er i øjeblikket.

Procesfunktioner beskriver på den anden side en proces. Varme og arbejde er procesfunktioner i et termodynamisk system. Varme udveksles kun under en ændring fra en tilstand til en anden, ligesom der kun kan arbejdes, når systemet skifter tilstand.

En adiabatisk proces er en termodynamisk proces, der forekommer uden varmeoverførsel mellem systemet og dets omgivelser. Med andre ord ændres tilstanden, der kan arbejdes på eller af systemet under denne ændring, men ingen varmeenergi tilføjes eller fjernes.

Da ingen fysisk proces kan ske øjeblikkeligt, og intet system virkelig kan isoleres perfekt, kan en perfekt adiabatisk tilstand aldrig opnås i virkeligheden. Det kan imidlertid tilnærmes, og meget kan læres ved at studere det.

Jo hurtigere en proces opstår, jo tættere kan det være på adiabatisk, fordi jo kortere tid vil der være til varmeoverførsel.

Den første lov om termodynamik siger, at ændringen i et indre energi i et system er lig forskellen på varmen, der tilføjes systemet, og det arbejde, systemet udfører. I ligningsform er dette:

HvorEer den indre energi,Spørgsmåler varmen tilsat systemet ogWer det arbejde, systemet udfører.

Da der ikke udveksles varme i en adiabatisk proces, skal det være sådan:

Med andre ord, hvis energi forlader systemet, er det resultatet af, at systemet udfører arbejde, og hvis energi kommer ind i systemet, skyldes det direkte arbejde, der er udført på systemet.

Når et system udvides adiabatisk, øges lydstyrken, mens der ikke udveksles varme. Denne stigning i volumen udgør arbejdet i systemet med miljøet. Derfor skal den indre energi falde. Da intern energi er direkte proportional med gassens temperatur, betyder det, at temperaturændringen vil være negativ (temperaturen falder).

Fra den ideelle gaslov kan du få følgende udtryk for tryk:

Hvorner antallet af mol,Rer den ideelle gaskonstant,Ter temperatur ogVer volumen.

Ved adiabatisk ekspansion går temperaturen ned, mens lydstyrken stiger. Dette betyder, at trykket også skal gå ned, fordi tælleren i ovenstående udtryk vil falde, mens nævneren vil stige.

I adiabatisk kompression sker det omvendte. Da et fald i lydstyrke indikerer, at der arbejdes på systemet af miljøet, ville dette giver en positiv ændring i intern energi svarende til en temperaturstigning (højere endelig temperatur).

Hvis temperaturen stiger, mens lydstyrken falder, stiger trykket også.

Et eksempel, der illustrerer en tilnærmelsesvis adiabatisk proces, der ofte vises i fysik-kurser, er betjeningen af ​​en brandsprøjte. En brandsprøjte består af et isoleret rør, der er lukket i den ene ende, og som indeholder et stempel i den anden ende. Stempelet kan skubbes ned for at komprimere luften i røret.

Hvis et lille stykke bomuld eller andet brændbart materiale placeres i røret ved stuetemperatur, og derefter er stemplet skubbes meget hurtigt ned, vil gassens tilstand i røret ændre sig med minimal varme, der udveksles med ydersiden. Det øgede tryk i røret, der sker ved kompression, får temperaturen inde i røret til at stige dramatisk, nok til at det lille stykke bomuld forbrænder.

ENtryk-volumen(PV) diagram er en graf, der viser ændringen i et termodynamisk systems tilstand. I et sådant diagram er volumen afbildet påx-aks, og der er afbildet tryk påy-akse. En tilstand er angivet med en (x, y) punkt svarende til et bestemt tryk og volumen. (Bemærk: Temperatur kan bestemmes ud fra tryk og volumen ved hjælp af den ideelle gaslov).

Da tilstanden skifter fra et bestemt tryk og volumen til et andet tryk og volumen, kan der på tegningen tegnes en kurve, der angiver, hvordan tilstandsændringen opstod. For eksempel vil en isobarisk proces (hvor tryk forbliver konstant) ligne en vandret linje på et PV-diagram. Andre kurver kan tegnes, der forbinder start- og slutpunktet og vil derfor resultere i forskellige mængder arbejde. Dette er grunden til stiens form på diagrammet er relevant.

En adiabatisk proces viser sig som en kurve, der adlyder forholdet:

Hvorcer forholdet mellem specifikke varmer c_s/ c_v (​c_ser gassens specifikke varme til konstant tryk, ogc_ver den specifikke varme for konstant volumen). For en ideel monatomisk gas,c= 1,66, og for luft, som primært er en diatomisk gas,c​ = 1.4

Varmemotorer er motorer, der omdanner varmeenergi til mekanisk energi via en komplet cyklus af en slags. På et PV-diagram vil en varmemotorcyklus danne en lukket sløjfe, hvor motorens tilstand slutter, hvor den startede, men udfører arbejde i færd med at komme derhen.

Mange processer fungerer kun i én retning; dog fungerer reversible processer lige så godt frem og tilbage uden at bryde fysikens love. En adiabatisk proces er en type reversibel proces. Dette gør det særligt nyttigt i en varmemotor, da det betyder, at det ikke omdanner energi til en uoprettelig form.

I en varmemotor er det samlede arbejde, der udføres af motoren, det område, der er indeholdt i kredsløbets kredsløb.

Andre termodynamiske processer diskuteret mere detaljeret i andre artikler inkluderer:

Isobariske processer, der forekommer ved konstant tryk. Disse vil ligne vandrette linjer på et PV-diagram. Arbejde udført i en isobar proces er lig med den konstante trykværdi ganget med volumenændringen.

Isokorisk proces, der forekommer ved konstant volumen. Disse ligner lodrette linjer på et PV-diagram. På grund af det faktum, at lydstyrken ikke ændres under disse processer, udføres der ikke noget arbejde.

Isotermiske processer forekommer ved konstant temperatur. Ligesom adiabatiske processer er disse reversible. Men for at en proces skal være perfekt isoterm, skal den opretholde en konstant ligevægt, hvilket ville være betyder, at det skulle forekomme uendeligt langsomt i modsætning til det øjeblikkelige krav til en adiabatiker behandle.