A termodinamika a fizika olyan ága, amely azokat a folyamatokat tanulmányozza, amelyek révén a hőenergia megváltoztathatja formáját. Az ideális gázokat gyakran azért tanulmányozzák, mert nemcsak sokkal könnyebben megérthetők, hanem sok gáz ideálisnak is megközelíthető.
Egy adott termodinamikai állapotot az állapotváltozók határoznak meg. Ide tartozik a nyomás, a térfogat és a hőmérséklet. Tanulmányozva azokat a folyamatokat, amelyekkel a termodinamikai rendszer egyik állapotból a másikba változik, mélyebb megértést nyerhet az alapul szolgáló fizikáról.
Számos idealizált termodinamikai folyamat írja le, hogy az ideális gáz állapota hogyan változhat. Az adiabatikus folyamat csak egy ilyen.
Állapotváltozók, állapotfüggvények és folyamatfüggvények
Az ideális gáz állapotát bármely időpontban a nyomás, térfogat és hőmérséklet állapotváltozókkal lehet leírni. Ez a három mennyiség elegendő a gáz jelenlegi állapotának meghatározásához, és egyáltalán nem függ attól, hogy a gáz hogyan érte el a jelenlegi állapotát.
Más mennyiségek, például a belső energia és az entrópia, ezeknek az állapotváltozóknak a függvényei. Az állami funkciók megint nem attól függenek, hogy a rendszer miként került sajátos állapotába. Csak azoktól a változóktól függenek, amelyek leírják a jelenlegi állapotát.
A folyamatfunkciók viszont leírnak egy folyamatot. A hő és a munka a termodinamikai rendszer folyamatfunkciói. A hőt csak az egyik állapotból a másikba történő váltás során lehet cserélni, ahogy a munkát is csak akkor lehet elvégezni, amikor a rendszer állapotot vált.
Mi az az adiabatikus folyamat?
Az adiabatikus folyamat olyan termodinamikai folyamat, amely a rendszer és a környezete között hőátadás nélkül zajlik le. Más szavakkal, az állapot megváltozik, a változás során a rendszeren vagy a rendszeren munkát lehet végezni, de hőenergiát nem adnak hozzá vagy távolítanak el.
Mivel egyetlen fizikai folyamat sem történhet meg azonnal, és egyetlen rendszert sem lehet tökéletesen szigetelni, a valóságban soha nem érhető el tökéletesen adiabatikus állapot. Közelíthető azonban, tanulmányozásával sok mindent meg lehet tanulni.
Minél gyorsabban történik egy folyamat, annál közelebb lehet az adiabatikához, mert annál kevesebb idő lesz a hőátadásra.
Adiabatikus folyamatok és a termodinamika első törvénye
A termodinamika első törvénye kimondja, hogy a rendszer belső energiájának változása megegyezik a rendszerhez adott hő és a rendszer által végzett munka különbségével. Egyenlet formájában ez:
\ Delta E = Q-W
HolEa belső energia,Qa rendszerhez adott hő ésWa rendszer által végzett munka.
Mivel egy adiabatikus folyamatban nincs hőcsere, akkor az a helyzet, hogy:
\ Delta E = -W
Más szavakkal, ha az energia elhagyja a rendszert, az a rendszer munkájának eredménye, és ha az energia belép a rendszerbe, akkor közvetlenül a rendszeren végzett munkából származik.
Adiabatikus bővítés és tömörítés
Amikor egy rendszer adiabatikusan bővül, a térfogat növekszik, miközben nincs hőcsere. Ez a mennyiségi növekedés a rendszer által a környezetre kifejtett munkát jelenti. Ezért a belső energiának csökkentenie kell. Mivel a belső energia egyenesen arányos a gáz hőmérsékletével, ez azt jelenti, hogy a hőmérséklet-változás negatív lesz (a hőmérséklet csökken).
Az ideális gáztörvényből a következő kifejezés nyerhető:
P = \ frac {nRT} {V}
Holnaz anyajegyek száma,Raz ideális gázállandó,Ta hőmérséklet ésVkötet.
Az adiabatikus expanzióhoz a hőmérséklet csökken, míg a térfogat növekszik. Ez azt jelenti, hogy a nyomásnak is csökkennie kell, mert a fenti kifejezésben a számláló csökken, míg a nevező növekszik.
Adiabatikus tömörítésnél fordítva történik. Mivel a térfogat csökkenése azt jelzi, hogy a környezet által végzett munkát a rendszeren végzik, ez így lenne a belső energiában pozitív változás alakul ki, amely megfelel a hőmérséklet emelkedésének (magasabb végső hőfok).
Ha a hőmérséklet nő, miközben a térfogat csökken, akkor a nyomás is növekszik.
Az egyik példa, amely egy körülbelül adiabatikus folyamatot mutat be gyakran a fizika tanfolyamokon, egy tűzfecskendő működtetése. A tűzfecskendő egy szigetelt csőből áll, amely az egyik végén zárva van, a másik végén pedig egy dugattyút tartalmaz. A dugattyút lefelé lehet tolni, hogy a csőben lévő levegő összenyomódjon.
Ha egy kis darab pamutot vagy más gyúlékony anyagot helyeznek a csőbe szobahőmérsékleten, akkor a dugattyú az nagyon gyorsan lenyomva, a csőben lévő gáz állapota megváltozik, minimális hőcserével a külsejével. Az összenyomódáskor a csőben megnövekedett nyomás hatására a csőben belüli hőmérséklet drámaian megemelkedik, elég ahhoz, hogy a kis pamutdarab megégjen.
P-V diagramok
Anyomás-térfogat(P-V) diagram egy grafikon, amely a termodinamikai rendszer állapotváltozását ábrázolja. Egy ilyen ábrán a térfogatot ábrázoljuk ax-tengely, és a nyomást ábrázoljuk ay-tengely. Az állapotot egy (x, y) pont, amely megfelel egy adott nyomásnak és térfogatnak. (Megjegyzés: A hőmérsékletet az ideális gáztörvény alapján lehet meghatározni a nyomás és a térfogat alapján).
Amint az állapot egy adott nyomásról és térfogatról egy másikra változik, a diagramra görbét lehet rajzolni, amely jelzi, hogy az állapot megváltozott. Például egy izobár folyamat (amelyben a nyomás állandó marad) vízszintes vonalnak tűnik a P-V diagramon. Más görbék megrajzolhatók a kiindulási és a végpont összekapcsolásával, és ennek következtében eltérő mennyiségű munkát végeznek. Ezért releváns az útvonal alakja a diagramon.
Az adiabatikus folyamat görbeként jelenik meg, amely engedelmeskedik a kapcsolatnak:
P \ propto \ frac {1} {V ^ c}
Holca fajlagos fűtések aránya co/ cv (coa gáz fajlagos hője állandó nyomás esetén, éscvaz állandó térfogatú fajlagos hő). Ideális monatomikus gázhozc= 1,66, és a levegő esetében, amely elsősorban diatomi gáz,c = 1.4
Adiabatikus folyamatok a hőmotorokban
A hőmotorok olyan motorok, amelyek a hőenergiát mechanikus energiává alakítják át valamilyen teljes cikluson keresztül. A P-V diagramon egy hőmotor-ciklus zárt hurkot képez, amelynek motorjának az állapota véget ér, ahol elindult, de munkát végzett az eljutás során.
Sok folyamat csak egy irányban működik; a visszafordítható folyamatok azonban ugyanolyan jól működnek előre és hátra, anélkül, hogy megsértenék a fizika törvényeit. Az adiabatikus folyamat egyfajta reverzibilis folyamat. Ez különösen hasznos hőmotorokban, mivel azt jelenti, hogy semmilyen energiát nem alakít helyrehozhatatlan formába.
Hőmotorban a motor teljes munkája a ciklus hurkán belüli terület.
Egyéb termodinamikai folyamatok
Más termodinamikai folyamatok, amelyeket más cikkekben részletesebben tárgyalunk, a következők:
Izobár folyamatok, amelyek állandó nyomáson fordulnak elő. Ezek vízszintes vonalaknak tűnnek a P-V diagramon. Az izobár folyamatban végzett munka megegyezik az állandó nyomásérték szorzatával a térfogat változásával.
Izochorikus folyamatok, amelyek állandó térfogatnál fordulnak elő. Ezek függőleges vonalaknak tűnnek a P-V diagramon. Annak a ténynek köszönhetően, hogy ezekben a folyamatokban a mennyiség nem változik, nem végeznek munkát.
Az izoterm folyamatok állandó hőmérsékleten mennek végbe. Az adiabatikus folyamatokhoz hasonlóan ezek is visszafordíthatók. Ahhoz azonban, hogy egy folyamat tökéletesen izoterm legyen, állandó egyensúlyt kell fenntartania, ami így lenne azt jelenti, hogy ennek végtelenül lassan kell megtörténnie, szemben az adiabatikus pillanatnyi követelményével folyamat.