La termodinámica es una rama de la física que estudia los procesos mediante los cuales la energía térmica puede cambiar de forma. A menudo, los gases ideales se estudian específicamente porque, no solo son mucho más simples de entender, sino que muchos gases pueden aproximarse como ideales.
Un estado termodinámico particular se define mediante variables de estado. Estos incluyen presión, volumen y temperatura. Al estudiar los procesos mediante los cuales un sistema termodinámico cambia de un estado a otro, puede obtener una comprensión más profunda de la física subyacente.
Varios procesos termodinámicos idealizados describen cómo los estados de un gas ideal pueden sufrir cambios. El proceso adiabático es solo uno de ellos.
Variables de estado, funciones de estado y funciones de proceso
El estado de un gas ideal en cualquier momento puede describirse mediante las variables de estado presión, volumen y temperatura. Estas tres cantidades son suficientes para determinar la condición actual del gas y no dependen en absoluto de cómo el gas obtuvo su estado actual.
Otras cantidades, como la energía interna y la entropía, son funciones de estas variables de estado. Una vez más, las funciones estatales tampoco dependen de cómo el sistema entró en su estado particular. Solo dependen de las variables que describen el estado en el que se encuentra actualmente.
Las funciones de proceso, por otro lado, describen un proceso. El calor y el trabajo son funciones de proceso en un sistema termodinámico. El calor solo se intercambia durante un cambio de un estado a otro, al igual que el trabajo solo se puede realizar cuando el sistema cambia de estado.
¿Qué es un proceso adiabático?
Un proceso adiabático es un proceso termodinámico que ocurre sin transferencia de calor entre el sistema y su entorno. En otras palabras, el estado cambia, se puede trabajar en el sistema o por él durante este cambio, pero no se agrega ni elimina energía térmica.
Dado que ningún proceso físico puede ocurrir instantáneamente y ningún sistema puede aislarse perfectamente, nunca se puede lograr una condición perfectamente adiabática en la realidad. Sin embargo, se puede aproximar y se puede aprender mucho estudiándolo.
Cuanto más rápido ocurre un proceso, más cercano puede estar al adiabático porque menos tiempo habrá para una transferencia de calor.
Procesos adiabáticos y la primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual a la diferencia del calor agregado al sistema y el trabajo realizado por el sistema. En forma de ecuación, esto es:
\ Delta E = Q-W
Dóndemies la energía interna,Qes el calor agregado al sistema yWes el trabajo realizado por el sistema.
Dado que no hay intercambio de calor en un proceso adiabático, entonces debe darse el caso de que:
\ Delta E = -W
En otras palabras, si la energía sale del sistema, es el resultado de que el sistema está realizando un trabajo, y si la energía ingresa al sistema, es el resultado directo del trabajo realizado en el sistema.
Expansión y compresión adiabática
Cuando un sistema se expande adiabáticamente, el volumen aumenta mientras no se intercambia calor. Este aumento de volumen constituye un trabajo que realiza el sistema sobre el medio ambiente. Por tanto, la energía interna debe disminuir. Dado que la energía interna es directamente proporcional a la temperatura del gas, esto significa que el cambio de temperatura será negativo (la temperatura desciende).
A partir de la ley de los gases ideales, puede obtener la siguiente expresión para la presión:
P = \ frac {nRT} {V}
Dóndenortees el número de lunares,Res la constante del gas ideal,Tes la temperatura yVes el volumen.
Para la expansión adiabática, la temperatura baja mientras que aumenta el volumen. Esto significa que la presión también debería bajar porque, en la expresión anterior, el numerador disminuiría mientras que el denominador aumentaría.
En la compresión adiabática ocurre lo contrario. Dado que una disminución en el volumen indica que el entorno está realizando un trabajo en el sistema, esto producir un cambio positivo en la energía interna correspondiente a un aumento de temperatura (mayor final temperatura).
Si la temperatura aumenta mientras el volumen disminuye, la presión también aumenta.
Un ejemplo que ilustra un proceso aproximadamente adiabático que se muestra a menudo en los cursos de física es el funcionamiento de una jeringa contra incendios. Una jeringa contra incendios consiste en un tubo aislado que está cerrado en un extremo y que contiene un émbolo en el otro extremo. El émbolo se puede empujar hacia abajo para comprimir el aire en el tubo.
Si se coloca un pequeño trozo de algodón u otro material inflamable en el tubo a temperatura ambiente, y luego el émbolo se empujado hacia abajo muy rápidamente, el estado del gas en el tubo cambiará con un intercambio mínimo de calor con el exterior. El aumento de presión en el tubo que ocurre al comprimir hace que la temperatura dentro del tubo aumente drásticamente, lo suficiente como para que se queme el pequeño trozo de algodón.
Diagramas P-V
Apresión-volumenEl diagrama (P-V) es un gráfico que representa el cambio de estado de un sistema termodinámico. En tal diagrama, el volumen se traza en elX-eje, y la presión se traza en ely-eje. Un estado está indicado por un (x, y) punto correspondiente a una presión y volumen particulares. (Nota: la temperatura se puede determinar a partir de la presión y el volumen utilizando la ley de los gases ideales).
A medida que el estado cambia de una presión y un volumen en particular a otra presión y volumen, se puede dibujar una curva en el diagrama que indique cómo ocurrió el cambio de estado. Por ejemplo, un proceso isobárico (en el que la presión permanece constante) se vería como una línea horizontal en un diagrama P-V. Se pueden dibujar otras curvas conectando el punto inicial y final y, en consecuencia, darían lugar a diferentes cantidades de trabajo. Es por eso que la forma del camino en el diagrama es relevante.
Un proceso adiabático se presenta como una curva que obedece a la relación:
P \ propto \ frac {1} {V ^ c}
DóndeCes la relación de calores específicos cpag/Cv (Cpages el calor específico del gas para presión constante, yCves el calor específico para volumen constante). Para un gas monoatómico ideal,C= 1,66, y para el aire, que es principalmente un gas diatómico,C = 1.4
Procesos adiabáticos en motores térmicos
Los motores térmicos son motores que convierten la energía térmica en energía mecánica a través de un ciclo completo de algún tipo. En un diagrama P-V, un ciclo de motor térmico formará un circuito cerrado, con el estado del motor terminando donde comenzó, pero trabajando en el proceso de llegar allí.
Muchos procesos solo funcionan en una dirección; sin embargo, los procesos reversibles funcionan igualmente bien hacia adelante y hacia atrás sin violar las leyes de la física. Un proceso adiabático es un tipo de proceso reversible. Esto lo hace particularmente útil en un motor térmico, ya que significa que no convierte ninguna energía en una forma irrecuperable.
En un motor térmico, el trabajo total realizado por el motor es el área contenida dentro del ciclo del ciclo.
Otros procesos termodinámicos
Otros procesos termodinámicos discutidos con más detalle en otros artículos incluyen:
Procesos isobáricos, que ocurren a presión constante. Estos se verán como líneas horizontales en un diagrama P-V. El trabajo realizado en un proceso isobárico es igual al valor de presión constante multiplicado por el cambio de volumen.
Proceso isocórico, que ocurre a volumen constante. Estos parecen líneas verticales en un diagrama P-V. Debido al hecho de que el volumen no cambia durante estos procesos, no se realiza ningún trabajo.
Los procesos isotérmicos ocurren a temperatura constante. Como los procesos adiabáticos, estos son reversibles. Sin embargo, para que un proceso sea perfectamente isotérmico, debe mantener un equilibrio constante, lo que significa que tendría que ocurrir infinitamente lentamente, en contraste con el requisito instantáneo para un adiabático proceso.