Adijabatski procesi: definicija, jednadžba i primjeri

Termodinamika je grana fizike koja proučava procese pomoću kojih toplinska energija može promijeniti oblik. Često se idealni plinovi posebno proučavaju jer, ne samo što ih je puno jednostavnije razumjeti, već se mnogi plinovi mogu aproksimirati kao idealni.

Određeno termodinamičko stanje definirano je varijablama stanja. Uključuju tlak, volumen i temperaturu. Proučavajući procese kojima se termodinamički sustav mijenja iz jednog stanja u drugo, možete steći dublje razumijevanje temeljne fizike.

Nekoliko idealiziranih termodinamičkih procesa opisuje kako se stanja idealnog plina mogu mijenjati. Adijabatski proces je samo jedan od njih.

Stanje idealnog plina u bilo kojem trenutku u vremenu može se opisati varijablama tlaka, volumena i temperature. Te su tri količine dovoljne za određivanje trenutnog stanja plina i uopće ne ovise o tome kako je plin dobio svoje trenutno stanje.

Ostale veličine, poput unutarnje energije i entropije, funkcije su ovih varijabli stanja. Opet, državne funkcije ne ovise ni o tome kako je sustav dospio u svoje određeno stanje. Ovise samo o varijablama koje opisuju stanje u kojem se trenutno nalazi.

Funkcije procesa, s druge strane, opisuju proces. Toplina i rad procesne su funkcije u termodinamičkom sustavu. Toplina se razmjenjuje samo tijekom promjene iz jednog stanja u drugo, baš kao što se posao može obaviti samo dok sustav mijenja stanje.

Adijabatski proces je termodinamički proces koji se događa bez prijenosa topline između sustava i njegove okoline. Drugim riječima, stanje se mijenja, može se raditi na sustavu ili tijekom njega tijekom ove promjene, ali se ne dodaje i ne uklanja toplinska energija.

Budući da se niti jedan fizički proces ne može dogoditi trenutno i niti jedan sustav ne može biti u potpunosti savršeno izoliran, u stvarnosti se nikada ne može postići savršeno adijabatsko stanje. Međutim, može se približiti, a proučavanjem se može puno naučiti.

Što se brži proces dogodi, to je bliži adijabatskom jer će biti manje vremena za prijenos topline.

Prvi zakon termodinamike kaže da je promjena unutarnje energije sustava jednaka razlici topline dodane sustavu i radu sustava. U obliku jednadžbe, ovo je:

GdjeEje unutarnja energija,Qje toplina dodana u sustav iWje posao koji obavlja sustav.

Budući da u adijabatskom procesu nema izmjene topline, tada mora biti slučaj da:

Drugim riječima, ako energija napusti sustav, to je rezultat sustava koji radi, a ako energija uđe u sustav, ona dolazi izravno iz rada obavljenog na sustavu.

Kada se sustav proširi adijabatski, volumen se povećava dok se toplina ne razmjenjuje. Ovo povećanje obujma predstavlja rad sustava na okolišu. Stoga se unutarnja energija mora smanjivati. Budući da je unutarnja energija izravno proporcionalna temperaturi plina, to znači da će promjena temperature biti negativna (temperatura pada).

Iz zakona o idealnom plinu možete dobiti sljedeći izraz za tlak:

Gdjenje broj madeža,Rje idealna plinska konstanta,Tje temperatura iVje volumen.

Za adijabatsko širenje temperatura opada, a glasnoća raste. To znači da bi se i pritisak trebao smanjiti jer bi se u gornjem izrazu brojnik smanjio, a nazivnik povećao.

Kod adijabatske kompresije događa se obrnuto. Budući da smanjenje volumena ukazuje na to da okoliš radi na sustavu, to bi daju pozitivnu promjenu unutarnje energije koja odgovara porastu temperature (viši konačni temperatura).

Ako se temperatura povećava dok se volumen smanjuje, tada se povećava i tlak.

Primjer koji ilustrira približno adijabatski proces koji se često prikazuje na tečajevima fizike je rad vatrogasne šprice. Vatrogasna štrcaljka sastoji se od izolirane cijevi koja je na jednom kraju zatvorena, a na drugom kraju sadrži klip. Klip se može pritisnuti prema dolje kako bi stisnuo zrak u cijevi.

Ako se mali komad pamuka ili drugog zapaljivog materijala stavi u cijev na sobnoj temperaturi, a onda je klip gurnuti prema dolje vrlo brzo, stanje plina u cijevi promijenit će se s minimalnom izmjenom topline s vanjske strane. Povećani tlak u cijevi koji se dogodi prilikom kompresije uzrokuje da temperatura u cijevi dramatično poraste, dovoljno da mali komad pamuka izgori.

Apritisak-volumenDijagram (P-V) je graf koji prikazuje promjenu stanja termodinamičkog sustava. U takvom dijagramu volumen se crta nax-os, a pritisak se nanosi nag-os. Stanje je označeno s (x, y) točka koja odgovara određenom tlaku i volumenu. (Napomena: Temperatura se može odrediti iz tlaka i zapremine pomoću zakona idealnog plina).

Kako se stanje mijenja iz određenog tlaka i volumena u drugi pritisak i volumen, na dijagramu se može nacrtati krivulja koja pokazuje kako je došlo do promjene stanja. Na primjer, izobarni postupak (u kojem tlak ostaje konstantan) izgledao bi poput vodoravne crte na P-V dijagramu. Mogu se nacrtati i druge krivulje koje povezuju početnu i završnu točku, što bi rezultiralo različitim količinama posla. Zbog toga je relevantan oblik puta na dijagramu.

Adijabatski proces prikazuje se kao krivulja koja poštuje odnos:

Gdjecje omjer specifičnih toplina c_str/ c_v (​c_strspecifična toplina plina za stalni tlak, ic_vje specifična toplina za stalni volumen). Za idealan monatomski plin,c= 1,66, a za zrak, koji je prvenstveno dvoatomni plin,c​ = 1.4

Toplinski motori su motori koji pretvaraju toplinsku energiju u mehaničku kroz kompletan nekakav ciklus. Na dijagramu P-V, ciklus toplinskog motora formirat će zatvorenu petlju, sa stanjem motora koje završava tamo gdje je započeo, ali obavlja posao u procesu dolaska.

Mnogi procesi djeluju samo u jednom smjeru; međutim, reverzibilni procesi rade jednako dobro prema naprijed i unatrag bez kršenja zakona fizike. Adijabatski proces je vrsta reverzibilnog procesa. To ga čini posebno korisnim u toplinskom stroju, jer znači da ne pretvara energiju u nenadoknadiv oblik.

U toplinskom stroju ukupan rad motora čini područje unutar petlje ciklusa.

Ostali termodinamički procesi o kojima se detaljnije raspravlja u drugim člancima uključuju:

Izobarni procesi koji se javljaju pod stalnim tlakom. To će izgledati poput vodoravnih crta na P-V dijagramu. Rad u izobaričnom procesu jednak je vrijednosti konstantnog tlaka pomnoženoj s promjenom volumena.

Izohorni proces, koji se javlja u stalnom volumenu. Izgledaju poput okomitih crta na P-V dijagramu. Zbog činjenice da se volumen ne mijenja tijekom tih procesa, ne radi se.

Izotermni procesi događaju se pri konstantnoj temperaturi. Poput adijabatskih procesa, ovi su reverzibilni. Međutim, da bi postupak bio savršeno izotermičan, mora održavati stalnu ravnotežu, koja bi znači da bi se to moralo događati beskonačno sporo, za razliku od trenutnog zahtjeva za adijabatom postupak.