Adiabaattiset prosessit: Määritelmä, yhtälö ja esimerkkejä

Termodynamiikka on fysiikan osa, joka tutkii prosesseja, joilla lämpöenergia voi muuttaa muotoa. Usein ihanteellisia kaasuja tutkitaan nimenomaan siksi, että niiden ymmärtäminen on paljon helpompaa, mutta monia kaasuja voidaan arvioida ihanteellisiksi.

Tietyn termodynaamisen tilan määrittävät tilamuuttujat. Näitä ovat paine, tilavuus ja lämpötila. Tutkimalla prosesseja, joilla termodynaaminen järjestelmä muuttuu tilasta toiseen, voit saada syvemmän käsityksen taustalla olevasta fysiikasta.

Useat idealisoidut termodynaamiset prosessit kuvaavat, kuinka ihanteellisen kaasun tilat voivat muuttua. Adiabaattinen prosessi on vain yksi näistä.

Ihanteellisen kaasun tila missä tahansa hetkessä voidaan kuvata tilamuuttujilla paine, tilavuus ja lämpötila. Nämä kolme määrää ovat riittäviä määritettäessä kaasun nykytilaa eivätkä ole lainkaan riippuvaisia ​​siitä, miten kaasu sai nykyisen tilansa.

Muut suuruudet, kuten sisäinen energia ja entropia, ovat näiden tilamuuttujien toimintoja. Jälleen valtion toiminnot eivät riipu siitä, miten järjestelmä pääsi tiettyyn tilaansa. Ne riippuvat vain muuttujista, jotka kuvaavat tilaa, jossa se tällä hetkellä on.

Toisaalta prosessitoiminnot kuvaavat prosessia. Lämpö ja työ ovat prosessitoimintoja termodynaamisessa järjestelmässä. Lämmönvaihto tapahtuu vain tilasta toiseen vaihdettaessa, samalla tavalla kuin työtä voidaan tehdä vain järjestelmän muuttuessa.

Adiabaattinen prosessi on termodynaaminen prosessi, joka tapahtuu ilman lämmönsiirtoa järjestelmän ja sen ympäristön välillä. Toisin sanoen tila muuttuu, järjestelmä voi tehdä työtä tai järjestelmän kanssa muutoksen aikana, mutta lämpöenergiaa ei lisätä tai poisteta.

Koska mikään fyysinen prosessi ei voi tapahtua välittömästi eikä järjestelmää voida todella eristää täydellisesti, täydellisesti adiabaattista tilaa ei voida koskaan saavuttaa todellisuudessa. Se voidaan kuitenkin arvioida, ja tutkimalla sitä voidaan oppia paljon.

Mitä nopeammin prosessi tapahtuu, sitä lähempänä se voi olla adiabaattista, koska sitä vähemmän aikaa on lämmönsiirtoon.

Ensimmäisessä termodynamiikan laissa todetaan, että järjestelmän sisäisen energian muutos on yhtä suuri kuin järjestelmään lisätyn lämmön ja järjestelmän tekemän työn ero. Yhtälömuodossa tämä on:

MissäEon sisäinen energia,Qon järjestelmään lisätty lämpö jaWon järjestelmän tekemä työ.

Koska adiabaattisessa prosessissa ei tapahdu lämmönvaihtoa, täytyy olla, että:

Toisin sanoen, jos energia poistuu järjestelmästä, se on seurausta järjestelmän työstä, ja jos energia pääsee järjestelmään, se johtuu suoraan järjestelmässä tehdystä työstä.

Kun järjestelmä laajenee adiabaattisesti, tilavuus kasvaa, kun lämpöä ei vaihdeta. Tämä volyymin kasvu merkitsee järjestelmän tekemää työtä ympäristölle. Siksi sisäisen energian on vähennettävä. Koska sisäinen energia on suoraan verrannollinen kaasun lämpötilaan, tämä tarkoittaa, että lämpötilan muutos on negatiivinen (lämpötila laskee).

Ihanteellisesta kaasulakista saat seuraavan lausekkeen paineelle:

Missänon moolien lukumäärä,Ron ihanteellinen kaasuvakio,Ton lämpötila jaVon äänenvoimakkuus.

Adiabaattista laajentamista varten lämpötila laskee, kun tilavuus nousee. Tämä tarkoittaa, että paineen pitäisi myös laskea, koska yllä olevassa lausekkeessa osoittaja pienenee, kun nimittäjä kasvaa.

Adiabaattisessa pakkauksessa tapahtuu päinvastoin. Koska volyymin lasku osoittaa, että ympäristö tekee järjestelmässä työtä, niin se tapahtuisi tuottaa positiivisen muutoksen sisäisessä energiassa, joka vastaa lämpötilan nousua (korkeampi lopullinen lämpötila).

Jos lämpötila nousee samalla kun tilavuus pienenee, myös paine kasvaa.

Yksi esimerkki, joka kuvaa likimäärin adiabaattista prosessia, joka usein esitetään fysiikan kursseilla, on paloruiskun käyttö. Paloruisku koostuu eristetystä putkesta, joka on suljettu toisesta päästä ja jossa mäntä on toisessa päässä. Mäntä voidaan työntää alas puristamaan putken ilmaa.

Jos putkeen asetetaan pieni pala puuvillaa tai muuta syttyvää materiaalia huoneenlämmössä, mäntä on työnnetään alas nopeasti, putkessa olevan kaasun tila muuttuu vähäisen lämmönvaihdon kanssa ulkopuolen kanssa. Puristuksen yhteydessä tapahtuva putken lisääntynyt paine saa lämpötilan nousemaan putken sisällä dramaattisesti, niin että pieni puuvillapala palaa.

Apaine-tilavuus(P-V) -kaavio on kaavio, joka kuvaa termodynaamisen järjestelmän tilan muutosta. Tällaisessa kaaviossa tilavuus on piirrettyx-akseli ja paine piirretääny-akseli. Tilan ilmaisee (x, y) piste, joka vastaa tiettyä painetta ja tilavuutta. (Huomaa: Lämpötila voidaan määrittää paineen ja tilavuuden perusteella ihanteellisen kaasulain mukaan.)

Kun tila muuttuu tietystä paineesta ja tilavuudesta toiseen paineeseen ja tilavuuteen, kaavioon voidaan piirtää käyrä, joka osoittaa, kuinka tilan muutos tapahtui. Esimerkiksi isobaarinen prosessi (jossa paine pysyy vakiona) näyttäisi vaakasuoralta viivalta P-V-kaaviossa. Muut käyrät voidaan piirtää yhdistämällä aloitus- ja loppupiste, mikä johtaisi erilaiseen työhön. Siksi kaavion polun muoto on merkityksellinen.

Adiabaattinen prosessi näkyy käyränä, joka noudattaa suhdetta:

Missäcon spesifisten lämmitysten suhde c_s/ c_v (​c_son kaasun ominaislämpö vakiopaineelle jac_von ominaislämpö vakiotilavuudelle). Ihanteellisen monatomisen kaasun saamiseksic= 1,66, ja ilman, joka on ensisijaisesti piimaa,c​ = 1.4

Lämpömoottorit ovat moottoreita, jotka muuttavat lämpöenergian mekaaniseksi energiaksi jonkinlaisen koko syklin kautta. P-V-kaaviossa lämpömoottorisykli muodostaa suljetun piirin, jossa moottorin tila päättyy siitä, mistä se alkoi, mutta tekee työtä sinne pääsyn aikana.

Monet prosessit toimivat vain yhteen suuntaan; palautuvat prosessit toimivat kuitenkin yhtä hyvin eteenpäin ja taaksepäin rikkomatta fysiikan lakeja. Adiabaattinen prosessi on eräänlainen palautuva prosessi. Tämä tekee siitä erityisen hyödyllisen lämpömoottorissa, koska se tarkoittaa, että se ei muunna energiaa palautumattomaan muotoon.

Lämpömoottorissa moottorin kokonaistyö on jakson silmukan sisällä oleva alue.

Muita termodynaamisia prosesseja, joista on keskusteltu yksityiskohtaisemmin muissa artikkeleissa, ovat:

Isobaariset prosessit, jotka tapahtuvat vakiopaineessa. Nämä näyttävät vaakasuorilta viivoilta P-V-kaaviossa. Isobaarisessa prosessissa tehty työ on yhtä suuri kuin vakiopaineen arvo kerrottuna tilavuuden muutoksella.

Isokoorinen prosessi, joka tapahtuu vakiotilavuudessa. Nämä näyttävät P-V-kaavion pystysuorilta viivoilta. Koska määrä ei muutu näiden prosessien aikana, työtä ei tehdä.

Isotermisiä prosesseja tapahtuu vakiolämpötilassa. Kuten adiabaattiset prosessit, nämä ovat palautuvia. Jotta prosessi olisi täysin isoterminen, sen on kuitenkin ylläpidettävä vakaa tasapaino, mikä olisi tarkoittaa, että sen pitäisi tapahtua äärettömän hitaasti, toisin kuin adiabaattisen hetkellinen vaatimus prosessi.