Termodinamica este o ramură a fizicii care studiază procesele prin care energia termică poate schimba forma. Adesea, gazele ideale sunt studiate în mod special, deoarece nu numai că sunt mult mai ușor de înțeles, dar multe gaze pot fi aproximate ca ideale.
O anumită stare termodinamică este definită de variabilele de stare. Acestea includ presiunea, volumul și temperatura. Studiind procesele prin care un sistem termodinamic se schimbă de la o stare la alta, puteți obține o înțelegere mai profundă a fizicii subiacente.
Mai multe procese termodinamice idealizate descriu modul în care stările unui gaz ideal pot suferi modificări. Procesul adiabatic este doar unul dintre acestea.
Variabile de stare, funcții de stare și funcții de proces
Starea unui gaz ideal în orice moment poate fi descrisă de variabilele de stare presiune, volum și temperatură. Aceste trei cantități sunt suficiente pentru a determina starea actuală a gazului și nu depind deloc de modul în care gazul și-a obținut starea actuală.
Alte cantități, cum ar fi energia internă și entropia, sunt funcții ale acestor variabile de stare. Din nou, funcțiile de stare nu depind nici de modul în care sistemul a intrat în starea sa particulară. Acestea depind doar de variabilele care descriu starea în care se află în prezent.
Funcțiile procesului, pe de altă parte, descriu un proces. Căldura și munca sunt funcții de proces într-un sistem termodinamic. Căldura este schimbată numai în timpul unei schimbări de la o stare la alta, la fel cum se poate lucra numai pe măsură ce sistemul schimbă starea.
Ce este un proces adiabatic?
Un proces adiabatic este un proces termodinamic care are loc fără transfer de căldură între sistem și mediul său. Cu alte cuvinte, starea se schimbă, se poate lucra la sau de către sistem în timpul acestei schimbări, dar nu se adaugă și nu se elimină energie termică.
Deoarece niciun proces fizic nu poate avea loc instantaneu și niciun sistem nu poate fi cu adevărat izolat perfect, o condiție perfect adiabatică nu poate fi realizată niciodată în realitate. Cu toate acestea, poate fi aproximat și se pot învăța multe prin studierea acestuia.
Cu cât are loc un proces mai rapid, cu atât poate fi mai aproape de adiabatic, deoarece cu cât va fi mai puțin timp pentru un transfer de căldură.
Procese adiabatice și prima lege a termodinamicii
Prima lege a termodinamicii afirmă că schimbarea energiei interne a unui sistem este egală cu diferența de căldură adăugată sistemului și munca depusă de sistem. În formă de ecuație, acesta este:
\ Delta E = Q-W
UndeEeste energia internă,Îeste căldura adăugată sistemului șiWeste munca depusă de sistem.
Deoarece nu există schimb de căldură într-un proces adiabatic, atunci trebuie să fie cazul că:
\ Delta E = -W
Cu alte cuvinte, dacă energia părăsește sistemul, este rezultatul faptului că sistemul funcționează și, dacă energia intră în sistem, aceasta rezultă direct din munca efectuată pe sistem.
Extindere și compresie adiabatică
Când un sistem se extinde adiabatic, volumul crește în timp ce nu se schimbă căldură. Această creștere a volumului constituie o lucrare efectuată de sistem asupra mediului. Prin urmare, energia internă trebuie să scadă. Deoarece energia internă este direct proporțională cu temperatura gazului, aceasta înseamnă că schimbarea temperaturii va fi negativă (temperatura scade).
Din legea ideală a gazelor, puteți obține următoarea expresie pentru presiune:
P = \ frac {nRT} {V}
Undeneste numărul de alunițe,Reste constanta ideala a gazului,Teste temperatura șiVeste volumul.
Pentru expansiunea adiabatică, temperatura scade în timp ce volumul crește. Aceasta înseamnă că presiunea ar trebui să scadă și pentru că, în expresia de mai sus, numeratorul ar scădea în timp ce numitorul ar crește.
În compresia adiabatică, se întâmplă invers. Deoarece o scădere a volumului indică faptul că mediul lucrează la sistem, aceasta ar fi produce o schimbare pozitivă a energiei interne corespunzătoare unei creșteri a temperaturii (final mai mare) temperatura).
Dacă temperatura crește în timp ce volumul scade, atunci crește și presiunea.
Un exemplu care ilustrează un proces aproximativ adiabatic prezentat adesea în cursurile de fizică este funcționarea unei seringi de incendiu. O seringă de incendiu constă dintr-un tub izolat care este închis la un capăt și care conține un piston la celălalt capăt. Pistonul poate fi împins în jos pentru a comprima aerul din tub.
Dacă o bucată mică de bumbac sau alt material inflamabil este plasată în tub la temperatura camerei, atunci pistonul este împins în jos foarte rapid, starea gazului din tub se va schimba cu o căldură minimă schimbată cu exteriorul. Presiunea crescută din tub care se întâmplă la comprimare determină creșterea dramatică a temperaturii din interiorul tubului, suficient pentru a arde bucata mică de bumbac.
Diagramele P-V
Apresiune-volumDiagrama (P-V) este un grafic care descrie schimbarea stării unui sistem termodinamic. Într-o astfel de diagramă, volumul este reprezentat peX-axa, iar presiunea este reprezentată grafic pey-axă. O stare este indicată de un (X y) punct corespunzător unei anumite presiuni și volume. (Notă: temperatura poate fi determinată din presiune și volum folosind legea ideală a gazului).
Pe măsură ce starea se schimbă de la o anumită presiune și volum la o altă presiune și volum, o diagramă poate fi trasată pe diagramă indicând modul în care s-a produs schimbarea stării. De exemplu, un proces izobaric (în care presiunea rămâne constantă) ar arăta ca o linie orizontală pe o diagramă P-V. Pot fi trasate alte curbe care leagă punctul de plecare și de sfârșit și, în consecință, ar avea ca rezultat diferite lucrări. Acesta este motivul pentru care forma căii de pe diagramă este relevantă.
Un proces adiabatic apare ca o curbă care respectă relația:
P \ propto \ frac {1} {V ^ c}
Undeceste raportul dintre căldurile specifice cp/ cv (cpeste căldura specifică a gazului pentru presiune constantă șicveste căldura specifică pentru volum constant). Pentru un gaz monatomic ideal,c= 1,66 și pentru aer, care este în primul rând un gaz diatomic,c = 1.4
Procese adiabatice în motoarele termice
Motoarele termice sunt motoare care transformă energia termică în energie mecanică printr-un anumit ciclu complet. Pe o diagramă P-V, un ciclu de motor termic va forma o buclă închisă, cu starea motorului care se termină de unde a pornit, dar care lucrează în procesul de a ajunge acolo.
Multe procese funcționează doar într-o singură direcție; cu toate acestea, procesele reversibile funcționează la fel de bine înainte și înapoi, fără a încălca legile fizicii. Un proces adiabatic este un tip de proces reversibil. Acest lucru îl face deosebit de util într-un motor termic, deoarece înseamnă că nu transformă nicio energie într-o formă nerecuperabilă.
Într-un motor termic, lucrarea totală efectuată de motor este zona conținută în bucla ciclului.
Alte procese termodinamice
Alte procese termodinamice discutate mai detaliat în alte articole includ:
Procese izobarice, care apar la presiune constantă. Acestea vor arăta ca niște linii orizontale pe o diagramă P-V. Munca efectuată într-un proces izobaric este egală cu valoarea presiunii constante înmulțită cu modificarea volumului.
Proces izocoric, care are loc la volum constant. Acestea arată ca linii verticale pe o diagramă P-V. Datorită faptului că volumul nu se modifică în timpul acestor procese, nu se lucrează.
Procesele izoterme apar la temperatura constantă. La fel ca procesele adiabatice, acestea sunt reversibile. Cu toate acestea, pentru ca un proces să fie perfect izoterm, acesta trebuie să mențină un echilibru constant, ceea ce ar fi înseamnă că ar trebui să apară infinit încet, spre deosebire de cerința instantanee pentru un adiabatic proces.