Termodynamikk er en gren av fysikken som studerer prosesser der varmeenergi kan endre form. Ofte studeres ideelle gasser spesielt fordi de ikke bare er mye enklere å forstå, men mange gasser kan tilnærmes som ideelle.
En bestemt termodynamisk tilstand er definert av tilstandsvariabler. Disse inkluderer trykk, volum og temperatur. Ved å studere prosessene der et termodynamisk system endres fra en tilstand til en annen, kan du få en dypere forståelse av den underliggende fysikken.
Flere idealiserte termodynamiske prosesser beskriver hvordan tilstander til en ideell gass kan gjennomgå forandring. Den adiabatiske prosessen er bare en av disse.
Statlige variabler, tilstandsfunksjoner og prosessfunksjoner
Tilstanden til en ideell gass til enhver tid kan beskrives av tilstandsvariablene trykk, volum og temperatur. Disse tre mengdene er tilstrekkelig til å bestemme den nåværende tilstanden til gassen og er ikke avhengig av hvordan gassen fikk sin nåværende tilstand.
Andre størrelser, som intern energi og entropi, er funksjoner av disse tilstandsvariablene. Igjen avhenger ikke statlige funksjoner av hvordan systemet kom i sin spesielle tilstand heller. De avhenger bare av variablene som beskriver tilstanden den er i.
Prosessfunksjoner beskriver derimot en prosess. Varme og arbeid er prosessfunksjoner i et termodynamisk system. Varme utveksles bare under en endring fra en tilstand til en annen, akkurat som arbeid bare kan utføres når systemet endrer tilstand.
Hva er en adiabatisk prosess?
En adiabatisk prosess er en termodynamisk prosess som skjer uten varmeoverføring mellom systemet og dets omgivelser. Med andre ord endres tilstanden, arbeid kan utføres på eller av systemet under denne endringen, men ingen varmeenergi tilsettes eller fjernes.
Siden ingen fysisk prosess kan skje øyeblikkelig og intet system virkelig kan isoleres perfekt, kan en perfekt adiabatisk tilstand aldri oppnås i virkeligheten. Imidlertid kan det tilnærmes, og mye kan læres ved å studere det.
Jo raskere en prosess skjer, desto nærmere kan det være adiabatisk fordi jo kortere tid vil det være for varmeoverføring.
Adiabatiske prosesser og den første loven om termodynamikk
Den første loven om termodynamikk sier at endringen i indre energi i et system er lik forskjellen på varmen som tilføres systemet og arbeidet som gjøres av systemet. I ligningsform er dette:
\ Delta E = Q-W
HvorEer den indre energien,Spørsmåler varmen tilført systemet ogWer arbeidet som gjøres av systemet.
Siden det ikke er varmeutveksling i en adiabatisk prosess, må det være slik:
\ Delta E = -W
Med andre ord, hvis energi forlater systemet, er det et resultat av at systemet gjør arbeidet, og hvis energi kommer inn i systemet, kommer det direkte fra arbeidet som er gjort på systemet.
Adiabatisk utvidelse og komprimering
Når et system utvides adiabatisk, øker volumet mens det ikke byttes varme. Denne økningen i volum utgjør arbeidet som gjøres av systemet med miljøet. Derfor må den indre energien avta. Siden intern energi er direkte proporsjonal med gassens temperatur, betyr dette at temperaturendringen vil være negativ (temperaturen synker).
Fra den ideelle gassloven kan du få følgende uttrykk for trykk:
P = \ frac {nRT} {V}
Hvorner antall føflekker,Rer den ideelle gasskonstanten,Ter temperatur ogVer volum.
For adiabatisk ekspansjon går temperaturen ned mens volumet øker. Dette betyr at trykket også skal gå ned fordi telleren i det ovennevnte uttrykket vil reduseres mens nevneren vil øke.
I adiabatisk kompresjon skjer det motsatte. Siden en reduksjon i volum indikerer at det blir utført arbeid på systemet av miljøet, vil dette gi en positiv endring i intern energi som tilsvarer en temperaturstigning (høyere endelig temperatur).
Hvis temperaturen øker mens volumet synker, øker også trykket.
Et eksempel som illustrerer en tilnærmet adiabatisk prosess som ofte vises i fysikkurs, er betjeningen av en brannsprøyte. En brannsprøyte består av et isolert rør som er lukket i den ene enden og som inneholder et stempel i den andre enden. Stempelet kan skyves ned for å komprimere luften i røret.
Hvis et lite stykke bomull eller annet brennbart materiale plasseres i røret ved romtemperatur, og da er stempelet presset ned veldig raskt, vil tilstanden til gassen i røret endres med minimal varme som blir utvekslet med utsiden. Det økte trykket i røret som skjer ved kompresjon, fører til at temperaturen inne i røret stiger dramatisk, nok til at det lille stykke bomull brenner seg.
PV-diagrammer
ENtrykk-volum(PV) diagram er en graf som viser statusendringen til et termodynamisk system. I et slikt diagram er volum plottet påx-aksi, og presset er plottet påy-akser. En tilstand er angitt med en (x, y) punkt som tilsvarer et bestemt trykk og volum. (Merk: Temperatur kan bestemmes ut fra trykk og volum ved hjelp av den ideelle gassloven).
Når tilstanden endres fra ett bestemt trykk og volum til et annet trykk og volum, kan en kurve tegnes på diagrammet som indikerer hvordan tilstandsendringen skjedde. For eksempel vil en isobar prosess (der trykket forblir konstant) se ut som en horisontal linje på et PV-diagram. Andre kurver kan tegnes som forbinder start- og sluttpunktet, og vil følgelig resultere i forskjellige mengder arbeid. Dette er grunnen til at stien på diagrammet er relevant.
En adiabatisk prosess viser seg som en kurve som adlyder forholdet:
P \ propto \ frac {1} {V ^ c}
Hvorcer forholdet mellom spesifikke varmer cs/ cv (cser gassens spesifikke varme for konstant trykk, ogcver den spesifikke varmen for konstant volum). For en ideell monatomagass,c= 1,66, og for luft, som hovedsakelig er en kiselgur,c = 1.4
Adiabatiske prosesser i varmemotorer
Varmemotorer er motorer som omdanner varmeenergi til mekanisk energi via en komplett syklus av noe slag. På et P-V-diagram vil en varmemotorsyklus danne en lukket sløyfe, med tilstanden til motoren som slutter der den startet, men gjør arbeid i ferd med å komme dit.
Mange prosesser fungerer bare i en retning; Imidlertid fungerer reversible prosesser like bra fremover og bakover uten å bryte fysikkens lover. En adiabatisk prosess er en type reversibel prosess. Dette gjør den spesielt nyttig i en varmemotor, da den betyr at den ikke omdanner energi til en uopprettelig form.
I en varmemotor er det totale arbeidet som er utført av motoren området som er inne i syklusens sløyfe.
Andre termodynamiske prosesser
Andre termodynamiske prosesser diskutert mer detaljert i andre artikler inkluderer:
Isobariske prosesser, som oppstår ved konstant trykk. Disse vil se ut som horisontale linjer på et PV-diagram. Arbeid utført i en isobar prosess er lik den konstante trykkverdien multiplisert med volumendringen.
Isokorisk prosess, som oppstår ved konstant volum. Disse ser ut som vertikale linjer på et PV-diagram. På grunn av det faktum at volumet ikke endres under disse prosessene, gjøres ikke noe arbeid.
Isotermiske prosesser skjer ved konstant temperatur. I likhet med adiabatiske prosesser er disse reversible. Men for at en prosess skal være perfekt isotermisk, må den opprettholde en konstant likevekt, noe som ville gjort betyr at det må skje uendelig langsomt, i motsetning til det øyeblikkelige kravet til en adiabat prosess.
