Termodinamika ir fizikas nozare, kas pēta procesus, ar kuriem siltumenerģija var mainīt formu. Bieži vien tieši ideālās gāzes tiek pētītas, jo ne tikai tās ir daudz vienkāršāk saprast, bet daudzas gāzes var uzskatīt par ideālām.
Konkrētu termodinamisko stāvokli nosaka stāvokļa mainīgie. Tie ietver spiedienu, tilpumu un temperatūru. Pētot procesus, kuru laikā termodinamiskā sistēma mainās no viena stāvokļa uz citu, jūs varat iegūt dziļāku izpratni par pamatā esošo fiziku.
Vairāki idealizēti termodinamiskie procesi raksturo, kā ideālās gāzes stāvokļi var mainīties. Adiabātiskais process ir tikai viens no šiem.
Stāvokļa mainīgie, stāvokļa funkcijas un procesa funkcijas
Ideālas gāzes stāvokli jebkurā laika posmā var raksturot ar stāvokļa mainīgajiem lielumiem spiediens, tilpums un temperatūra. Šie trīs daudzumi ir pietiekami, lai noteiktu pašreizējo gāzes stāvokli un nebūt nav atkarīgi no tā, kā gāze ieguva pašreizējo stāvokli.
Citi lielumi, piemēram, iekšējā enerģija un entropija, ir šo stāvokļa mainīgo funkcijas. Arī šoreiz valsts funkcijas nav atkarīgas no tā, kā sistēma nonāca konkrētajā stāvoklī. Tie ir atkarīgi tikai no mainīgajiem, kas apraksta stāvokli, kādā tas pašlaik atrodas.
Savukārt procesa funkcijas apraksta procesu. Siltums un darbs ir procesa funkcijas termodinamiskā sistēmā. Siltums tiek apmainīts tikai pārejas laikā no viena stāvokļa uz citu, tāpat kā darbu var veikt tikai tad, kad sistēma maina stāvokli.
Kas ir adiabātiskais process?
Adiabātiskais process ir termodinamisks process, kas notiek bez siltuma pārneses starp sistēmu un tās vidi. Citiem vārdiem sakot, stāvoklis mainās, šo izmaiņu laikā var strādāt ar sistēmu vai ar tās palīdzību, bet siltuma enerģija netiek pievienota vai noņemta.
Tā kā neviens fizisks process nevar notikt acumirklī un nevienu sistēmu patiesi nevar perfekti izolēt, perfekti adiabātisku stāvokli nekad nevar sasniegt. Tomēr to var tuvināt, un daudz ko var iemācīties, to izpētot.
Jo ātrāk notiek process, jo tuvāk tas var būt adiabātiskajam, jo jo mazāk laika būs siltuma nodošanai.
Adiabātiskie procesi un pirmais termodinamikas likums
Pirmais termodinamikas likums nosaka, ka sistēmas iekšējās enerģijas izmaiņas ir vienādas ar sistēmai pievienotā siltuma un sistēmas paveiktā starpību. Vienādojuma formā tas ir:
\ Delta E = Q-W
KurEir iekšējā enerģija,Jir sistēmai pievienotais siltums unWir sistēmas paveiktais darbs.
Tā kā adiabātiskā procesā netiek veikta siltumapmaiņa, jānotiek šādi:
\ Delta E = -W
Citiem vārdiem sakot, ja enerģija atstāj sistēmu, tā ir sistēmas darba rezultāts, un, ja enerģija iekļūst sistēmā, tā rodas tieši no sistēmā paveiktā darba.
Adiabātiskā paplašināšana un saspiešana
Kad sistēma adiabātiski paplašinās, tilpums palielinās, kamēr siltums netiek apmainīts. Šis apjoma pieaugums ir darbs, ko sistēma veic apkārtējā vidē. Tādējādi iekšējai enerģijai jāsamazinās. Tā kā iekšējā enerģija ir tieši proporcionāla gāzes temperatūrai, tas nozīmē, ka temperatūras izmaiņas būs negatīvas (temperatūra pazeminās).
No ideālā gāzes likuma jūs varat iegūt šādu spiediena izteicienu:
P = \ frac {nRT} {V}
Kurnir molu skaits,Rir ideāla gāzes konstante,Tir temperatūra unVir tilpums.
Adiabātiskās izplešanās gadījumā temperatūra pazeminās, bet tilpums palielinās. Tas nozīmē, ka spiedienam vajadzētu samazināties arī tāpēc, ka iepriekšminētajā izteiksmē skaitītājs samazināsies, kamēr saucējs palielināsies.
Adiabātiskajā saspiešanā notiek otrādi. Tā kā apjoma samazināšanās norāda uz vides paveikto darbu sistēmā, tas tā būtu dod pozitīvas iekšējās enerģijas izmaiņas, kas atbilst temperatūras paaugstināšanai (augstāks galīgais temperatūra).
Ja temperatūra palielinās, kamēr tilpums samazinās, palielinās arī spiediens.
Viens piemērs, kas ilustrē aptuveni adiabātisku procesu, kas bieži tiek parādīts fizikas kursos, ir uguns šļirces darbība. Ugunsdzēsības šļirce sastāv no izolētas caurules, kas ir noslēgta vienā galā un kuras otrā pusē ir virzulis. Virzuli var nospiest uz leju, lai saspiestu gaisu mēģenē.
Ja istabas temperatūrā mēģenē ievieto nelielu kokvilnas vai cita viegli uzliesmojoša materiāla gabalu, tad virzulis ir ļoti strauji nospiežot uz leju, gāzes stāvoklis caurulē mainīsies ar minimālu siltuma apmaiņu ar ārpusi. Palielināts spiediens mēģenē, kas notiek pēc saspiešanas, temperatūra caurules iekšienē dramatiski paaugstinās, pietiekami, lai mazais kokvilnas gabals sadegtu.
P-V diagrammas
Aspiediena tilpums(P-V) diagramma ir grafiks, kas attēlo termodinamiskās sistēmas stāvokļa izmaiņas. Šādā diagrammā tilpums ir uzzīmēts uzx-taksis, un spiediens ir uzzīmēts uzy- ass. Valsti norāda ar (x, y) punkts, kas atbilst noteiktam spiedienam un tilpumam. (Piezīme. Temperatūru var noteikt pēc spiediena un tilpuma, izmantojot ideālo gāzes likumu).
Kad stāvoklis mainās no viena konkrēta spiediena un tilpuma uz citu spiedienu un tilpumu, uz diagrammas var uzzīmēt līkni, kas norāda, kā stāvokļa izmaiņas notika. Piemēram, izobarisks process (kurā spiediens paliek nemainīgs) P-V diagrammā izskatās kā horizontāla līnija. Var izveidot citas līknes, kas savieno sākuma un beigu punktu, un līdz ar to tiktu veikts atšķirīgs darba apjoms. Tāpēc diagrammas ceļa forma ir būtiska.
Adiabātiskais process parādās kā līkne, kas pakļaujas attiecībām:
P \ propto \ frac {1} {V ^ c}
Kurcir īpatnējo karstumu attiecība clpp/ cv (clppir specifiskais gāzes siltums pastāvīgam spiedienam, uncvir īpatnējais siltums nemainīgam tilpumam). Lai iegūtu ideālu monatomisko gāzi,c= 1,66, un gaisam, kas galvenokārt ir diatomiskā gāze,c = 1.4
Adiabātiskie procesi siltuma dzinējos
Siltuma dzinēji ir dzinēji, kas siltuma enerģiju pārveido mehāniskā enerģijā, izmantojot visu sava veida ciklu. P-V diagrammā siltuma motora cikls veidos slēgtu loku, motora stāvoklis beigsies tajā vietā, kur tas sākās, bet veic darbu, lai tur nokļūtu.
Daudzi procesi darbojas tikai vienā virzienā; tomēr atgriezeniskie procesi darbojas vienādi labi uz priekšu un atpakaļ, nepārkāpjot fizikas likumus. Adiabātiskais process ir atgriezeniska procesa veids. Tas padara to īpaši noderīgu siltuma dzinējā, jo tas nozīmē, ka tas nepārvērš enerģiju neatgūstamā formā.
Siltuma motorā motora kopējais darbs ir laukums, kas atrodas cikla ciklā.
Citi termodinamiskie procesi
Citi termodinamiskie procesi, kas sīkāk aplūkoti citos rakstos, ietver:
Izobariski procesi, kas notiek pie pastāvīga spiediena. P-V diagrammā tie izskatīsies kā horizontālas līnijas. Izobariskajā procesā veiktais darbs ir vienāds ar pastāvīgā spiediena vērtību, kas reizināta ar tilpuma izmaiņām.
Izohorisks process, kas notiek nemainīgā tilpumā. Tie izskatās kā vertikālas līnijas P-V diagrammā. Tā kā šo procesu laikā tilpums nemainās, darbs netiek veikts.
Izotermiskie procesi notiek nemainīgā temperatūrā. Tāpat kā adiabātiskie procesi, tie ir atgriezeniski. Tomēr, lai process būtu perfekti izotermisks, tam jāuztur pastāvīgs līdzsvars, kas būtu nozīmē, ka tam būtu jānotiek bezgalīgi lēni, atšķirībā no momentānās prasības pēc adiabāta process.