断熱プロセス：定義、方程式、例

熱力学は、熱エネルギーが形を変えることができるプロセスを研究する物理学の一分野です。 多くの場合、理想気体は、理解がはるかに簡単であるだけでなく、多くの気体が理想気体として近似できるため、具体的に研究されます。

特定の熱力学的状態は、状態変数によって定義されます。 これらには、圧力、体積、温度が含まれます。 熱力学系がある状態から別の状態に変化するプロセスを研究することにより、基礎となる物理学をより深く理解することができます。

いくつかの理想化された熱力学的プロセスは、理想気体の状態がどのように変化するかを説明します。 断熱プロセスはこれらの1つにすぎません。

任意の時点での理想気体の状態は、状態変数の圧力、体積、および温度で表すことができます。 これらの3つの量は、ガスの現在の状態を判断するのに十分であり、ガスが現在の状態をどのように取得したかにまったく依存しません。

内部エネルギーやエントロピーなどの他の量は、これらの状態変数の関数です。 繰り返しますが、状態関数は、システムがどのようにして特定の状態になったのかにも依存しません。 それらは、現在の状態を表す変数にのみ依存します。

一方、プロセス関数はプロセスを記述します。 熱と仕事は、熱力学系のプロセス機能です。 システムが状態を変更するときにのみ作業を実行できるのと同様に、熱はある状態から別の状態への変更中にのみ交換されます。

断熱プロセスは、システムとその環境の間の熱伝達なしに発生する熱力学的プロセスです。 言い換えると、状態が変化し、この変化中にシステム上またはシステムによって作業を行うことができますが、熱エネルギーは追加または削除されません。

物理的なプロセスが瞬時に発生することはなく、システムを完全に断熱することもできないため、実際には完全な断熱状態を実現することはできません。 しかし、それは概算することができ、それを研究することによって多くを学ぶことができます。

プロセスが速く発生するほど、熱の伝達にかかる時間が短くなるため、断熱に近づくことができます。

熱力学の第1法則は、システムの内部エネルギーの変化は、システムに追加された熱とシステムによって行われた仕事の差に等しいと述べています。 方程式の形式では、これは次のとおりです。

どこE内部エネルギーです、Qシステムに追加される熱であり、Wシステムによって行われる作業です。

断熱プロセスでは熱交換が行われないため、次のような場合になります。

言い換えれば、エネルギーがシステムを離れる場合、それはシステムが仕事をしている結果であり、エネルギーがシステムに入る場合、それはシステムで行われた仕事から直接生じます。

システムが断熱的に膨張すると、熱が交換されない状態で体積が増加します。 このボリュームの増加は、システムが環境上で実行している作業を構成します。 したがって、内部エネルギーは減少しなければなりません。 内部エネルギーはガスの温度に正比例するため、これは温度変化が負になる（温度が下がる）ことを意味します。

理想気体の法則から、圧力について次の式を得ることができます。

どこnモル数です、Rは理想気体定数であり、T温度とVボリュームです。

断熱膨張の場合、体積が増加する一方で温度が低下します。 これは、上記の式では分子が減少し、分母が増加するため、圧力も低下する必要があることを意味します。

断熱圧縮では、逆のことが起こります。 ボリュームの減少は、環境によってシステム上で実行されている作業を示しているため、これは次のようになります。 温度上昇に対応する内部エネルギーの正の変化をもたらします（より高い最終 温度）。

体積が減少する間に温度が上昇すると、圧力も上昇します。

物理学のコースでよく見られるほぼ断熱的なプロセスを説明する1つの例は、火器の操作です。 ファイアシリンジは、一方の端が閉じており、もう一方の端にプランジャーが含まれている絶縁チューブで構成されています。 プランジャーを押し下げて、チューブ内の空気を圧縮することができます。

綿または他の可燃性物質の小片が室温でチューブに入れられた場合、プランジャーは 非常に急速に押し下げられると、チューブ内のガスの状態が変化し、外部との熱交換が最小限に抑えられます。 圧縮時に発生するチューブ内の圧力の上昇により、チューブ内の温度が劇的に上昇し、綿の小片が燃焼するのに十分です。

A圧力-体積（P-V）ダイアグラムは、熱力学系の状態の変化を表すグラフです。 このような図では、ボリュームはにプロットされますバツ-軸、および圧力はにプロットされますy-軸。 状態は（x、y）特定の圧力と体積に対応するポイント。 （注：温度は、理想気体の法則を使用して圧力と体積から決定できます）。

ある特定の圧力と体積から別の圧力と体積に状態が変化すると、状態の変化がどのように発生したかを示す曲線を図に描くことができます。 たとえば、等圧プロセス（圧力が一定のままである）は、P-V図の水平線のように見えます。 開始点と終了点を結ぶ他の曲線を描くことができるため、さまざまな量の作業が行われることになります。 これが、図のパスの形状が関連している理由です。

断熱プロセスは、次の関係に従う曲線として表示されます。

どこcは比熱比ですc_p/ c_v (​c_pは一定圧力のガスの比熱であり、c_vは一定体積の比熱です）。 理想的な単原子ガスの場合、c= 1.66、および主に二原子ガスである空気の場合、c​ = 1.4

熱機関は、ある種の完全なサイクルを介して熱エネルギーを機械的エネルギーに変換するエンジンです。 P-Vダイアグラムでは、熱機関サイクルは閉ループを形成し、エンジンの状態は開始した場所で終了しますが、そこに到達する過程で作業を行います。

多くのプロセスは一方向にしか機能しません。 ただし、可逆プロセスは、物理法則に違反することなく、順方向と逆方向で同じように機能します。 断熱プロセスは、可逆プロセスの一種です。 これは、エネルギーを回復不可能な形に変換しないことを意味するため、熱機関で特に役立ちます。

熱機関では、エンジンによって行われる総仕事量は、サイクルのループ内に含まれる領域です。

他の記事でより詳細に説明されている他の熱力学的プロセスには、次のものがあります。

一定の圧力で発生する等圧プロセス。 これらは、P-V図の水平線のように見えます。 等圧プロセスで行われる仕事は、一定の圧力値に体積の変化を掛けたものに等しくなります。

一定の体積で発生する等積過程。 これらは、P-V図の垂直線のように見えます。 これらのプロセス中に音量が変化しないため、作業は行われません。

等温プロセスは一定の温度で発生します。 断熱過程のように、これらは可逆的です。 ただし、プロセスが完全に等温であるためには、一定の平衡を維持する必要があります。 断熱の瞬間的な要件とは対照的に、それは無限にゆっくりと発生しなければならないことを意味します 処理する。