Adiabaatilised protsessid: määratlus, võrrand ja näited

Termodünaamika on füüsika haru, mis uurib protsesse, mille abil soojusenergia saab vormi muuta. Sageli uuritakse ideaalgaase just seetõttu, et mitte ainult neid on palju lihtsam mõista, vaid paljusid gaase võib ideaalseks pidada.

Konkreetse termodünaamilise oleku määravad olekumuutujad. Nende hulka kuuluvad rõhk, maht ja temperatuur. Uurides protsesse, mille käigus termodünaamiline süsteem muutub ühest olekust teise, saate põhjalikuma füüsika mõistmise.

Mitmed idealiseeritud termodünaamilised protsessid kirjeldavad, kuidas ideaalse gaasi olekud võivad muutuda. Adiabaatiline protsess on vaid üks neist.

Ideaalse gaasi olekut mis tahes ajahetkel saab kirjeldada olekumuutujate rõhu, mahu ja temperatuuri abil. Need kolm kogust on gaasi praeguse seisundi määramiseks piisavad ja ei sõltu üldse sellest, kuidas gaas oma praeguse oleku saavutas.

Teised suurused, näiteks siseenergia ja entroopia, on nende olekumuutujate funktsioonid. Jällegi ei sõltu riigi funktsioonid sellest, kuidas süsteem oma konkreetsesse olekusse jõudis. Need sõltuvad ainult muutujatest, mis kirjeldavad praegust seisundit.

Protsessifunktsioonid seevastu kirjeldavad protsessi. Soojus ja töö on termodünaamilises süsteemis protsessi funktsioonid. Soojust vahetatakse ainult ühest olekust teise ülemineku ajal, nii nagu tööd saab teha ainult siis, kui süsteem muudab olekut.

Adiabaatiline protsess on termodünaamiline protsess, mis toimub ilma soojuse ülekandeta süsteemi ja selle keskkonna vahel. Teisisõnu, olek muutub, selle muutmise ajal saab süsteemiga või süsteemiga tööd teha, kuid soojusenergiat ei lisata ega eemaldata.

Kuna ükski füüsiline protsess ei saa toimuda silmapilkselt ja ühtegi süsteemi ei saa tõeliselt isoleerida, ei saa tegelikkuses kunagi saavutada täiesti adiabaatilist seisundit. Kuid seda saab ligikaudselt hinnata ja seda uurides saab palju õppida.

Mida kiiremini protsess toimub, seda lähemal võib see olla adiabaatiline, sest seda vähem on aega soojuse ülekandmiseks.

Termodünaamika esimene seadus ütleb, et süsteemi siseenergia muutus võrdub süsteemile lisatud soojuse ja süsteemi tehtud töö erinevusega. Võrrandivormis on see:

KusEon sisemine energia,Qon süsteemi lisatud soojus jaWon süsteemi tehtud töö.

Kuna adiabaatilises protsessis soojust ei vahetata, peab olema nii, et:

Teisisõnu, kui energia süsteemist lahkub, on see süsteemi töö tulemus ja kui energia süsteemi siseneb, tuleneb see otseselt süsteemis tehtud tööst.

Kui süsteem adiabaatiliselt laieneb, suureneb maht, samal ajal kui soojust ei vahetata. See mahu suurenemine kujutab endast süsteemi keskkonnas tehtavat tööd. Seega peab siseenergia vähenema. Kuna siseenergia on otseselt proportsionaalne gaasi temperatuuriga, tähendab see, et temperatuurimuutus on negatiivne (temperatuur langeb).

Ideaalsest gaasiseadusest saate rõhu kohta järgmise avaldise:

Kusnon moolide arv,Ron ideaalne gaasikonstant,Ton temperatuur jaVon maht.

Adiabaatilise paisumise korral langeb temperatuur, samal ajal kui maht suureneb. See tähendab, et rõhk peaks langema ka seetõttu, et ülaltoodud avaldises väheneks lugeja, samal ajal kui nimetaja suureneks.

Adiabaatilises kokkusurumises toimub vastupidi. Kuna mahu vähenemine viitab keskkonnale süsteemiga tehtavale tööle, oleks see nii annab sisemise energia positiivse muutuse, mis vastab temperatuuri tõusule (suurem lõplik temperatuur).

Kui temperatuur tõuseb, samal ajal kui maht väheneb, suureneb ka rõhk.

Üks näide, mis illustreerib ligikaudu adiabaatilist protsessi, mida sageli füüsikakursustel näidatakse, on tulesüstal. Tulesüstal koosneb isoleeritud torust, mis on ühest otsast suletud ja mille teises otsas on kolb. Toru õhu kokkusurumiseks saab kolbi alla suruda.

Kui torusse asetatakse toatemperatuuril väike tükk puuvillast või muust kergestisüttivast materjalist, siis kolb on väga kiiresti alla surudes muutub gaasi olek torus minimaalse soojuse vahetamisel väljastpoolt. Toru kokkusurumisel suurenenud rõhk põhjustab toru sisetemperatuuri dramaatilise tõusu, nii et väike puuvillatükk põleb.

Arõhu maht(P-V) diagramm on graafik, mis kujutab termodünaamilise süsteemi oleku muutust. Sellises skeemis on maht joonistatud jooniselex-telg ja rõhk kantakse jooniseley-telg. Olekut tähistab (x, y) punkt, mis vastab konkreetsele rõhule ja mahule. (Märkus: temperatuuri saab ideaalse gaasiseaduse abil määrata rõhu ja mahu järgi).

Kui olek muutub ühelt konkreetselt rõhult ja mahult teisele rõhule ja mahule, saab diagrammile joonistada kõvera, mis näitab, kuidas olek muutus toimus. Näiteks isobaarne protsess (milles rõhk püsib konstantsena) näeks P-V diagrammil välja nagu horisontaalne joon. Lähte- ja lõpppunkti ühendades saab joonistada muid kõveraid, mille tulemuseks oleks erinev töömaht. Sellepärast on diagrammi raja kuju asjakohane.

Adiabaatiline protsess ilmneb kõverana, mis järgib suhet:

Kuscon spetsiifiliste soojenduste suhe c_lk/ c_v (​c_lkon pideva rõhu korral gaasi erisoojus jac_von püsisoojuse erisoojus). Ideaalse monatoomilise gaasi saamiseksc= 1,66 ja õhu jaoks, mis on peamiselt diatoomne gaas,c​ = 1.4

Soojusmootorid on mootorid, mis muudavad soojusenergia mehaaniliseks energiaks mingi tsükli kaudu. P-V diagrammil moodustab soojuse mootori tsükkel suletud ahela, mille mootori olek lõpeb algusest, kuid teeb tööd sinna jõudmise ajal.

Paljud protsessid toimivad ainult ühes suunas; pöörduvad protsessid toimivad aga sama hästi edasi-tagasi, rikkumata füüsikaseadusi. Adiabaatiline protsess on teatud tüüpi pöörduv protsess. See muudab selle eriti kasulikuks soojamootoris, kuna see tähendab, et see ei muuda energiat taastamatuks.

Soojusmootoris moodustab mootori kogu töö tsükli silmusesse jääva ala.

Teistes artiklites üksikasjalikumalt käsitletud muude termodünaamiliste protsesside hulka kuuluvad:

Isobaarsed protsessid, mis toimuvad püsiva rõhu all. Need näevad P-V diagrammil välja nagu horisontaalsed jooned. Isobaarilises protsessis tehtud töö võrdub püsiva rõhu väärtusega, mis on korrutatud mahu muutusega.

Isohoorne protsess, mis toimub konstantsel helitugevusel. Need näevad P-V diagrammil välja nagu vertikaalsed jooned. Tulenevalt asjaolust, et maht nende protsesside käigus ei muutu, tööd ei tehta.

Isotermilised protsessid toimuvad püsival temperatuuril. Nagu adiabaatilised protsessid, on ka need pöörduvad. Kuid selleks, et protsess oleks ideaalselt isotermiline, peab see säilitama püsiva tasakaalu, mis oleks tähendab, et see peaks toimuma lõpmatult aeglaselt, vastupidiselt adiabaatiku hetkenõudele protsess.