Adiabatiniai procesai: apibrėžimas, lygtis ir pavyzdžiai

Termodinamika yra fizikos šaka, tirianti procesus, kurių metu šilumos energija gali pakeisti formą. Dažnai idealios dujos tiriamos būtent todėl, kad ne tik jas daug paprasčiau suprasti, bet ir daugelį dujų galima priskirti idealioms dujoms.

Tam tikrą termodinaminę būseną nusako būsenos kintamieji. Tai apima slėgį, tūrį ir temperatūrą. Tyrinėdami procesus, kurių metu termodinaminė sistema keičiasi iš vienos būsenos į kitą, galite giliau suprasti pagrindinę fiziką.

Keli idealizuoti termodinaminiai procesai apibūdina, kaip gali pasikeisti idealių dujų būsenos. Adiabatinis procesas yra tik vienas iš tokių.

Idealių dujų būklę bet kuriuo laiko momentu galima apibūdinti pagal būsenos kintamuosius slėgį, tūrį ir temperatūrą. Šių trijų kiekių pakanka nustatyti esamą dujų būklę ir jie visiškai nepriklauso nuo to, kaip dujos pasiekė dabartinę būseną.

Kiti dydžiai, tokie kaip vidinė energija ir entropija, yra šių būsenos kintamųjų funkcijos. Vėlgi, valstybės funkcijos taip pat nepriklauso nuo to, kaip sistema pateko į konkrečią būseną. Jie priklauso tik nuo kintamųjų, apibūdinančių būseną, kurioje ji šiuo metu yra.

Kita vertus, proceso funkcijos apibūdina procesą. Šiluma ir darbas yra termodinaminės sistemos proceso funkcijos. Šiluma keičiama tik keičiantis iš vienos būsenos į kitą, lygiai taip pat, kaip dirbti galima tik tada, kai sistema keičia būseną.

Adiabatinis procesas yra termodinaminis procesas, vykstantis be šilumos perdavimo tarp sistemos ir jos aplinkos. Kitaip tariant, būsena keičiasi, per šį pakeitimą sistema gali dirbti arba sistemoje, tačiau jokia šilumos energija nėra pridėta ar pašalinta.

Kadangi joks fizinis procesas negali įvykti akimirksniu ir nė viena sistema negali būti visiškai izoliuota, tobulai adiabatinės būklės niekada negalima pasiekti realybėje. Tačiau jį galima apytiksliai nustatyti, o jį studijuojant galima daug sužinoti.

Kuo greitesnis procesas vyksta, tuo arčiau jis gali būti adiabatinis, nes tuo mažiau laiko bus šilumos perdavimui.

Pirmasis termodinamikos dėsnis teigia, kad sistemos vidinės energijos pokytis yra lygus į sistemą įdėtos šilumos ir sistemos atlikto darbo skirtumui. Lygties pavidalu tai yra:

KurEyra vidinė energija,Klausimasyra į sistemą pridėta šiluma irWyra sistemos atliktas darbas.

Kadangi adiabatiniame procese nėra keičiama šiluma, turi būti taip:

Kitaip tariant, jei energija palieka sistemą, tai yra sistemos darbo rezultatas, o jei energija patenka į sistemą, ji atsiranda tiesiogiai atlikus sistemoje darbą.

Kai sistema adiabatiškai išsiplečia, tūris padidėja, o šiluma nesikeičia. Šis apimties padidėjimas yra sistemos atliekamas darbas aplinkai. Taigi vidinė energija turi mažėti. Kadangi vidinė energija yra tiesiogiai proporcinga dujų temperatūrai, tai reiškia, kad temperatūros pokytis bus neigiamas (temperatūra nukris).

Pagal idealų dujų įstatymą galite gauti tokią slėgio išraišką:

Kurnyra apgamų skaičius,Ryra ideali dujų konstanta,Tyra temperatūra irVyra tūris.

Adiabatiniam išsiplėtimui temperatūra krinta, o tūris didėja. Tai reiškia, kad slėgis taip pat turėtų mažėti, nes pagal pirmiau pateiktą išraišką skaitiklis sumažėtų, o vardiklis padidėtų.

Adiabatinio suspaudimo atveju vyksta atvirkščiai. Kadangi sumažėjęs tūris rodo, kad aplinka dirba sistemoje, taip ir būtų duoda teigiamą vidinės energijos pokytį, atitinkantį temperatūros pakilimą (didesnis galutinis temperatūra).

Jei temperatūra padidėja, o tūris mažėja, padidėja ir slėgis.

Vienas pavyzdys, iliustruojantis apytiksliai adiabatinį procesą, dažnai rodomą fizikos kursuose, yra ugnies švirkšto veikimas. Gaisrinį švirkštą sudaro izoliuotas vamzdis, kuris yra uždarytas viename gale, o kitame gale yra stūmoklis. Stūmoklį galima nuspausti žemyn, kad suspaustų orą vamzdelyje.

Jei kambario temperatūroje į mėgintuvėlį dedamas nedidelis medvilnės ar kitos degios medžiagos gabalas, tada stūmoklis yra labai greitai stumiant žemyn, dujų būsena vamzdyje pasikeis, kuo mažiau šilumos iškeičiant į išorę. Dėl padidėjusio slėgio mėgintuvėlyje, kuris įvyksta suspaudus, temperatūra vamzdžio viduje dramatiškai pakyla tiek, kad nedidelis medvilnės gabalas degtų.

Aslėgis-tūris(P-V) diagrama yra grafikas, kuriame pavaizduotas termodinaminės sistemos būsenos pokytis. Tokioje diagramoje tūris braižomas antxašis, o slėgis braižomas anty- ašis. Valstybę nurodo (x, y) taškas, atitinkantis tam tikrą slėgį ir tūrį. (Pastaba: temperatūrą galima nustatyti pagal slėgį ir tūrį, naudojant idealų dujų įstatymą).

Būsenai keičiantis nuo vieno konkretaus slėgio ir tūrio į kitą slėgį ir tūrį, diagramoje galima nubrėžti kreivę, nurodančią, kaip įvyko būsenos pasikeitimas. Pavyzdžiui, izobarinis procesas (kurio metu slėgis išlieka pastovus) P-V diagramoje atrodytų kaip horizontali linija. Galima nubrėžti kitas kreives, jungiančias pradinį ir pabaigos tašką, ir dėl to būtų atliktas skirtingas darbo kiekis. Štai kodėl kelio forma diagramoje yra aktuali.

Adiabatinis procesas pasirodo kaip kreivė, paklūstanti santykiams:

Kurcyra specifinių šildymų santykis c_p/ c_v (​c_pyra savitoji dujų šiluma pastoviam slėgiui, irc_vyra specifinė šiluma pastoviam tūriui). Norėdami gauti idealias monatomines dujas,c= 1,66, o orui, kuris pirmiausia yra diatominės dujos,c​ = 1.4

Šiluminiai varikliai yra varikliai, kurie šilumos energiją paverčia mechanine energija per visą tam tikrą ciklą. Pagal P-V diagramą šilumos variklio ciklas suformuos uždarą ciklą, variklio būsena baigsis ten, kur jis prasidėjo, tačiau dirbdamas darbą ten pateko.

Daugelis procesų veikia tik viena kryptimi; tačiau grįžtami procesai veikia vienodai gerai pirmyn ir atgal, nepažeidžiant fizikos dėsnių. Adiabatinis procesas yra grįžtamasis procesas. Tai daro jį ypač naudingą šilumos variklyje, nes tai reiškia, kad ji nepaverčia jokios energijos neatkuriama forma.

Šilumos variklyje bendras variklio darbas yra plotas, esantis ciklo cikle.

Kiti termodinaminiai procesai, išsamiau aptarti kituose straipsniuose, yra šie:

Izobariniai procesai, vykstantys esant pastoviam slėgiui. Tai atrodys kaip horizontalios linijos P-V diagramoje. Izobariniame procese atliktas darbas yra lygus pastovaus slėgio vertei, padaugintai iš tūrio pokyčio.

Izohorinis procesas, vykstantis pastoviu tūriu. Tai atrodo kaip vertikalios linijos P-V diagramoje. Dėl to, kad šių procesų apimtis nesikeičia, darbas neatliekamas.

Izoterminiai procesai vyksta pastovioje temperatūroje. Kaip ir adiabatiniai procesai, šie yra grįžtami. Tačiau norint, kad procesas būtų visiškai izoterminis, jis turi palaikyti pastovią pusiausvyrą, kuri taip ir būtų reiškia, kad jis turėtų vykti be galo lėtai, priešingai nei momentinis adiabatiko reikalavimas procesą.