Processi adiabatici: definizione, equazione ed esempi

La termodinamica è una branca della fisica che studia i processi mediante i quali l'energia termica può cambiare forma. Spesso i gas ideali vengono studiati in modo specifico perché, non solo sono molto più semplici da capire, ma molti gas possono essere approssimati come ideali.

Un particolare stato termodinamico è definito da variabili di stato. Questi includono pressione, volume e temperatura. Studiando i processi attraverso i quali un sistema termodinamico cambia da uno stato all'altro, puoi ottenere una comprensione più profonda della fisica sottostante.

Diversi processi termodinamici idealizzati descrivono come gli stati di un gas ideale possono subire cambiamenti. Il processo adiabatico è solo uno di questi.

Lo stato di un gas ideale in qualsiasi momento può essere descritto dalle variabili di stato pressione, volume e temperatura. Queste tre grandezze sono sufficienti per determinare la condizione attuale del gas e non dipendono affatto da come il gas ha ottenuto il suo stato attuale.

Altre grandezze, come l'energia interna e l'entropia, sono funzioni di queste variabili di stato. Anche in questo caso, le funzioni di stato non dipendono da come il sistema è entrato nel suo stato particolare. Dipendono solo dalle variabili che descrivono lo stato in cui si trova attualmente.

Le funzioni di processo, invece, descrivono un processo. Il calore e il lavoro sono funzioni di processo in un sistema termodinamico. Il calore viene scambiato solo durante il passaggio da uno stato all'altro, così come il lavoro può essere svolto solo quando il sistema cambia stato.

Un processo adiabatico è un processo termodinamico che avviene senza trasferimento di calore tra il sistema e il suo ambiente. In altre parole, lo stato cambia, il lavoro può essere svolto sul o dal sistema durante questo cambiamento, ma non viene aggiunta o rimossa energia termica.

Poiché nessun processo fisico può avvenire istantaneamente e nessun sistema può essere veramente perfettamente isolato, una condizione perfettamente adiabatica non può mai essere raggiunta nella realtà. Tuttavia, può essere approssimato e si può imparare molto studiandolo.

Più veloce è un processo, più vicino può essere quello adiabatico perché meno tempo ci sarà per un trasferimento di calore.

La prima legge della termodinamica afferma che la variazione di energia interna di un sistema è uguale alla differenza tra il calore aggiunto al sistema e il lavoro svolto dal sistema. In forma di equazione, questo è:

DoveEè l'energia interna,Qè il calore aggiunto al sistema eWè il lavoro svolto dal sistema.

Poiché in un processo adiabatico non viene scambiato calore, allora deve essere il caso che:

In altre parole, se l'energia lascia il sistema, è il risultato del lavoro svolto dal sistema, e se l'energia entra nel sistema, deriva direttamente dal lavoro svolto sul sistema.

Quando un sistema si espande adiabaticamente, il volume aumenta mentre non viene scambiato calore. Questo aumento di volume costituisce il lavoro svolto dal sistema sull'ambiente. Quindi l'energia interna deve diminuire. Poiché l'energia interna è direttamente proporzionale alla temperatura del gas, ciò significa che la variazione di temperatura sarà negativa (la temperatura scende).

Dalla legge dei gas ideali si ottiene la seguente espressione per la pressione:

Dovenè il numero di moli,Rè la costante dei gas ideali,Tè la temperatura eVè il volume.

Per l'espansione adiabatica, la temperatura diminuisce mentre il volume aumenta. Ciò significa che anche la pressione dovrebbe diminuire perché, nell'espressione sopra, il numeratore diminuirebbe mentre il denominatore aumenterebbe.

Nella compressione adiabatica avviene il contrario. Poiché una diminuzione del volume indica il lavoro svolto sul sistema dall'ambiente, questo sarebbe this produrre una variazione positiva dell'energia interna corrispondente ad un aumento di temperatura (finale maggiore temperatura).

Se la temperatura aumenta mentre il volume diminuisce, aumenta anche la pressione.

Un esempio che illustra un processo approssimativamente adiabatico spesso mostrato nei corsi di fisica è il funzionamento di una siringa antincendio. Una siringa antincendio è costituita da un tubo isolato che è chiuso a un'estremità e che contiene uno stantuffo all'altra estremità. Lo stantuffo può essere spinto verso il basso per comprimere l'aria nel tubo.

Se un pezzetto di cotone o altro materiale infiammabile viene inserito nel tubo a temperatura ambiente, quindi lo stantuffo è spinto verso il basso molto rapidamente, lo stato del gas nel tubo cambierà con un minimo scambio di calore con l'esterno. L'aumento della pressione nel tubo che si verifica durante la compressione fa aumentare drasticamente la temperatura all'interno del tubo, tanto da far bruciare il piccolo pezzo di cotone.

UNpressione-volumeIl diagramma (P-V) è un grafico che rappresenta il cambiamento di stato di un sistema termodinamico. In tale diagramma, il volume è tracciato suX-asse, e la pressione è tracciata sulsì-asse. Uno stato è indicato da un (x, y) punto corrispondente a una pressione e un volume particolari. (Nota: la temperatura può essere determinata dalla pressione e dal volume utilizzando la legge dei gas ideali).

Quando lo stato cambia da una particolare pressione e volume a un'altra pressione e volume, è possibile tracciare una curva sul diagramma che indica come si è verificato il cambiamento di stato. Ad esempio, un processo isobarico (in cui la pressione rimane costante) sembrerebbe una linea orizzontale su un diagramma P-V. È possibile tracciare altre curve che collegano il punto iniziale e quello finale e, di conseguenza, comporterebbe una quantità di lavoro diversa. Questo è il motivo per cui la forma del percorso sul diagramma è rilevante.

Un processo adiabatico si presenta come una curva che obbedisce alla relazione:

Dovecè il rapporto dei calori specifici c_p/c_v (​c_pè il calore specifico del gas a pressione costante, ec_vè il calore specifico a volume costante). Per un gas monoatomico ideale,c= 1,66, e per l'aria, che è principalmente un gas biatomico,c​ = 1.4

I motori termici sono motori che convertono l'energia termica in energia meccanica tramite un ciclo completo di qualche tipo. Su un diagramma P-V, un ciclo del motore termico formerà un circuito chiuso, con lo stato del motore che termina dove è iniziato, ma sta lavorando per arrivarci.

Molti processi funzionano solo in una direzione; tuttavia, i processi reversibili funzionano ugualmente bene in avanti e indietro senza infrangere le leggi della fisica. Un processo adiabatico è un tipo di processo reversibile. Ciò lo rende particolarmente utile in un motore termico in quanto significa che non converte alcuna energia in una forma irrecuperabile.

In un motore termico, il lavoro totale svolto dal motore è l'area contenuta all'interno del ciclo del ciclo.

Altri processi termodinamici discussi più dettagliatamente in altri articoli includono:

Processi isobarici, che si verificano a pressione costante. Queste sembreranno linee orizzontali su un diagramma P-V. Il lavoro svolto in un processo isobarico è uguale al valore di pressione costante moltiplicato per la variazione di volume.

Processo isocoro, che avviene a volume costante. Sembrano linee verticali su un diagramma P-V. A causa del fatto che il volume non cambia durante questi processi, non viene eseguito alcun lavoro.

I processi isotermici avvengono a temperatura costante. Come i processi adiabatici, questi sono reversibili. Tuttavia, affinché un processo sia perfettamente isotermico, deve mantenere un equilibrio costante, che sarebbe significa che dovrebbe avvenire infinitamente lentamente, in contrasto con il requisito istantaneo di un adiabatico processi.