단열 과정: 정의, 방정식 및 예

열역학은 열 에너지가 형태를 바꿀 수있는 과정을 연구하는 물리학의 한 분야입니다. 종종 이상 기체는 이해하기가 훨씬 간단 할뿐만 아니라 이상 기체에 근접 할 수 있기 때문에 특별히 연구됩니다.

특정 열역학적 상태는 상태 변수에 의해 정의됩니다. 여기에는 압력, 부피 및 온도가 포함됩니다. 열역학 시스템이 한 상태에서 다른 상태로 변경되는 과정을 연구함으로써 기본 물리학에 대해 더 깊이 이해할 수 있습니다.

몇 가지 이상화 된 열역학 프로세스는 이상 기체의 상태가 어떻게 변할 수 있는지 설명합니다. 단열 과정은 이들 중 하나 일뿐입니다.

어느 한 시점에서 이상 기체의 상태는 상태 변수 압력, 부피 및 온도로 설명 할 수 있습니다. 이 세 가지 양은 가스의 현재 상태를 결정하는 데 충분하며 가스가 현재 상태를 얻은 방법에 전혀 의존하지 않습니다.

내부 에너지 및 엔트로피와 같은 다른 양은 이러한 상태 변수의 함수입니다. 다시 말하지만, 상태 함수는 시스템이 특정 상태에 어떻게 들어 갔는지에 의존하지 않습니다. 현재 상태를 설명하는 변수에만 의존합니다.

반면에 프로세스 함수는 프로세스를 설명합니다. 열과 작업은 열역학 시스템의 프로세스 기능입니다. 시스템이 상태를 변경할 때만 작업을 수행 할 수있는 것처럼 열은 한 상태에서 다른 상태로 변경되는 동안에 만 교환됩니다.

단열 과정은 시스템과 주변 환경 사이에 열 전달없이 발생하는 열역학적 과정입니다. 즉, 상태가 변경되고이 변경 중에 시스템에서 또는 시스템에서 작업을 수행 할 수 있지만 열 에너지가 추가되거나 제거되지 않습니다.

어떤 물리적 과정도 순간적으로 일어날 수없고 어떤 시스템도 진정으로 완벽하게 절연 될 수 없기 때문에 완벽하게 단열 조건은 현실에서 결코 달성 될 수 없습니다. 그러나 근사치로 계산할 수 있으며 연구를 통해 많은 것을 배울 수 있습니다.

공정이 빠르게 진행 될수록 열 전달에 걸리는 시간이 줄어들 기 때문에 단열에 더 가까워 질 수 있습니다.

열역학의 첫 번째 법칙은 시스템 내부 에너지의 변화가 시스템에 추가 된 열과 시스템이 수행하는 작업의 차이와 같다고 말합니다. 방정식 형식에서 이것은 다음과 같습니다.

어디이자형내부 에너지입니다.큐시스템에 추가 된 열이며W시스템이 수행하는 작업입니다.

단열 과정에서 열교환되는 열이 없기 때문에 다음과 같은 경우에 해당해야합니다.

즉, 에너지가 시스템을 떠나는 것은 시스템이 작업을 수행 한 결과이고 에너지가 시스템에 들어 오면 시스템에서 수행 된 작업에서 직접 발생합니다.

시스템이 단열 적으로 확장되면 열이 교환되지 않고 부피가 증가합니다. 이러한 볼륨 증가는 환경에서 시스템이 수행하는 작업을 구성합니다. 따라서 내부 에너지는 감소해야합니다. 내부 에너지는 가스의 온도에 정비례하므로 온도 변화가 음수 (온도 강하)가됩니다.

이상 기체 법칙에서 압력에 대한 다음 식을 얻을 수 있습니다.

어디엔두더지의 수,아르 자형이상 기체 상수입니다.티온도이고V볼륨입니다.

단열 팽창의 경우 체적은 올라가고 온도는 내려갑니다. 이것은 위의 식에서 분자는 감소하고 분모는 증가하기 때문에 압력도 내려 가야 함을 의미합니다.

단열 압축에서는 그 반대가 발생합니다. 볼륨 감소는 환경에 의해 시스템에서 수행되는 작업을 나타내므로 온도 상승에 따라 내부 에너지에 긍정적 인 변화를 일으 킵니다 (더 높은 최종 온도).

체적이 감소하는 동안 온도가 증가하면 압력도 증가합니다.

물리학 과정에서 자주 나타나는 대략적인 단열 과정을 보여주는 한 가지 예는 소방 주사기의 작동입니다. 소방 주사기는 한쪽 끝이 닫혀 있고 다른 쪽 끝에 플런저가있는 절연 튜브로 구성됩니다. 플런저를 아래로 눌러 튜브의 공기를 압축 할 수 있습니다.

작은면 또는 기타 가연성 물질을 실온에서 튜브에 넣으면 플런저가 매우 빠르게 밀어 내면 튜브의 가스 상태는 외부와 최소한의 열 교환으로 변합니다. 압축시 발생하는 튜브의 압력 증가로 인해 튜브 내부의 온도가 극적으로 상승하여 작은 면화 조각이 연소됩니다.

ㅏ압력 부피(P-V) 다이어그램은 열역학 시스템의 상태 변화를 나타내는 그래프입니다. 이러한 다이어그램에서 볼륨은엑스축이고 압력은와이-중심선. 상태는 (x, y) 특정 압력 및 부피에 해당하는 지점. (참고: 온도는 이상 기체 법칙을 사용하여 압력과 부피로 결정할 수 있습니다.)

상태가 특정 압력과 부피에서 다른 압력과 부피로 변경되면 상태 변화가 어떻게 발생했는지를 나타내는 곡선을 다이어그램에 그릴 수 있습니다. 예를 들어, 압력이 일정하게 유지되는 등압 프로세스는 P-V 다이어그램에서 수평선처럼 보입니다. 시작점과 끝점을 연결하는 다른 곡선을 그릴 수 있으며 결과적으로 수행되는 작업의 양이 달라집니다. 이것이 다이어그램의 경로 모양이 관련이있는 이유입니다.

단열 과정은 관계를 따르는 곡선으로 나타납니다.

어디씨비열의 비율 c_피/씨_V (​씨_피일정한 압력에 대한 가스의 비열씨_V일정한 부피에 대한 비열). 이상적인 단일 원자 가스의 경우씨= 1.66, 그리고 주로 이원자 가스 인 공기의 경우씨​ = 1.4

열 엔진은 일종의 완전한 사이클을 통해 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 엔진입니다. P-V 다이어그램에서 열 엔진 사이클은 엔진이 시작된 곳에서 끝나는 상태로 폐쇄 루프를 형성하지만 거기에 도달하는 과정에서 작업을 수행합니다.

많은 프로세스가 한 방향으로 만 작동합니다. 그러나 가역적 프로세스는 물리학 법칙을 위반하지 않고 앞뒤로 똑같이 잘 작동합니다. 단열 과정은 가역 과정의 한 유형입니다. 이는 에너지를 복구 불가능한 형태로 변환하지 않는다는 것을 의미하므로 열 엔진에서 특히 유용합니다.

열 엔진에서 엔진이 수행하는 총 작업은 사이클 루프 내에 포함 된 영역입니다.

다른 기사에서 더 자세히 논의 된 다른 열역학 프로세스는 다음과 같습니다.

일정한 압력에서 발생하는 등압 과정. 이것들은 P-V 다이어그램에서 수평선처럼 보일 것입니다. 등압 공정에서 수행되는 작업은 일정 압력 값에 부피 변화를 곱한 것과 같습니다.

일정한 부피에서 발생하는 등각 과정. 이것은 P-V 다이어그램에서 수직선처럼 보입니다. 이러한 프로세스 중에 볼륨이 변경되지 않기 때문에 작업이 수행되지 않습니다.

등온 과정은 일정한 온도에서 발생합니다. 단열 과정과 마찬가지로 이것들은 가역적입니다. 그러나 프로세스가 완벽하게 등온이 되려면 일정한 평형을 유지해야합니다. 단열에 대한 즉각적인 요구 사항과 달리 무한히 느리게 발생해야 함을 의미합니다. 방법.