Termodynamika je odvetvie fyziky, ktoré študuje procesy, pomocou ktorých môže tepelná energia meniť formu. Často sa konkrétne študujú ideálne plyny, pretože nielenže sú oveľa ľahšie pochopiteľné, ale veľa plynov sa dá aproximovať ako ideálne.
Konkrétny termodynamický stav je definovaný stavovými premennými. Patria sem tlak, objem a teplota. Štúdiom procesov, pri ktorých sa termodynamický systém mení z jedného stavu do druhého, môžete získať hlbšie pochopenie základnej fyziky.
Niekoľko idealizovaných termodynamických procesov popisuje, ako môžu stavy ideálneho plynu prechádzať zmenami. Adiabatický proces je len jedným z nich.
Stavové premenné, štátne funkcie a procesné funkcie
Stav ideálneho plynu v ktoromkoľvek okamihu možno opísať stavovými premennými tlak, objem a teplota. Tieto tri množstvá postačujú na zistenie súčasného stavu plynu a vôbec nezávisia od toho, ako plyn získal svoj súčasný stav.
Ostatné veličiny, ako napríklad vnútorná energia a entropia, sú funkciami týchto stavových premenných. Štátne funkcie opäť nezávisia od toho, ako sa systém dostal do konkrétneho stavu. Závisia iba od premenných popisujúcich stav, v ktorom sa momentálne nachádza.
Funkcie procesu naopak popisujú proces. Teplo a práca sú procesné funkcie v termodynamickom systéme. Teplo sa vymieňa iba pri zmene z jedného stavu do druhého, rovnako ako je možné pracovať iba pri zmene stavu systému.
Čo je to adiabatický proces?
Adiabatický proces je termodynamický proces, ktorý nastáva bez prenosu tepla medzi systémom a jeho prostredím. Inými slovami, mení sa stav, počas tejto zmeny je možné pracovať na systéme alebo pomocou neho, ale nedochádza k pridávaniu alebo odoberaniu tepelnej energie.
Pretože k žiadnemu fyzikálnemu procesu nemôže dôjsť okamžite a žiadny systém nemôže byť skutočne dokonale izolovaný, v skutočnosti sa nikdy nedá dosiahnuť dokonale adiabatický stav. Dá sa to však priblížiť a veľa sa dá naučiť jeho preštudovaním.
Čím rýchlejšie proces prebehne, tým bližšie môže byť adiabatický, pretože tým menej času bude trvať na prenos tepla.
Adiabatické procesy a prvý zákon termodynamiky
Prvý zákon termodynamiky hovorí, že zmena vnútornej energie systému sa rovná rozdielu tepla dodaného do systému a práce vykonanej systémom. Vo forme rovnice to je:
\ Delta E = Q-W
KdeEje vnútorná energia,Qje teplo pridané do systému aŽje práca vykonaná systémom.
Pretože pri adiabatickom procese nedochádza k výmene tepla, musí sa stať, že:
\ Delta E = -W
Inými slovami, ak energia opustí systém, je to výsledok práce systému a ak energia vstúpi do systému, vyplýva priamo z práce vykonanej v systéme.
Adiabatická expanzia a kompresia
Keď sa systém rozšíri adiabaticky, objem sa zvýši bez výmeny tepla. Toto zvýšenie objemu predstavuje prácu vykonávanú systémom na životnom prostredí. Preto sa musí vnútorná energia znižovať. Pretože vnútorná energia je priamo úmerná teplote plynu, znamená to, že zmena teploty bude negatívna (teplota klesá).
Podľa zákona o ideálnom plyne môžete pre tlak získať nasledujúci výraz:
P = \ frac {nRT} {V}
Kdenje počet mólov,Rje ideálna plynová konštanta,Tje teplota aV.je objem.
Pre adiabatickú expanziu teplota klesá, zatiaľ čo objem stúpa. To znamená, že tlak by mal tiež klesať, pretože vo vyššie uvedenom výraze by sa čitateľ znížil, zatiaľ čo by sa menovateľ zvýšil.
Pri adiabatickej kompresii nastáva opačná situácia. Pretože pokles objemu naznačuje, že v systéme sa vykonáva práca v prostredí, bolo by to tak poskytujú pozitívnu zmenu vnútornej energie zodpovedajúcu zvýšeniu teploty (vyššia konečná) teplota).
Ak teplota stúpa, zatiaľ čo objem klesá, zvyšuje sa aj tlak.
Jedným príkladom, ktorý ilustruje približne adiabatický proces často zobrazovaný na kurzoch fyziky, je prevádzka hasičskej striekačky. Požiarna striekačka sa skladá z izolovanej trubice, ktorá je na jednom konci uzavretá a ktorá na druhom konci obsahuje piest. Piest je možné stlačiť nadol, aby sa stlačil vzduch v trubici.
Ak je do skúmavky pri izbovej teplote vložený malý kúsok bavlny alebo iného horľavého materiálu, potom je to piest veľmi rýchlo stlačené nadol, zmení sa stav plynu v trubici s minimálnou výmenou tepla s vonkajšou stranou. Zvýšený tlak v trubici, ktorý sa stane po stlačení, spôsobí, že teplota vo vnútri trubice dramaticky stúpne, a to natoľko, že malý kúsok bavlny zhorí.
Schémy P-V
Atlak-objem(P-V) diagram je graf, ktorý zobrazuje zmenu stavu termodynamického systému. V takom diagrame je objem vynesený naX-osa a tlak sa vynesie nar- os. Stav je označený (x, r) bod zodpovedajúci konkrétnemu tlaku a objemu. (Poznámka: Teplota sa dá určiť z tlaku a objemu pomocou zákona ideálneho plynu).
Keď sa stav zmení z jedného konkrétneho tlaku a objemu na druhý tlak a objem, je možné na diagrame nakresliť krivku označujúcu, ako došlo k zmene stavu. Napríklad izobarický proces (pri ktorom tlak zostáva konštantný) by vyzeral ako vodorovná čiara na P-V diagrame. Môžu byť nakreslené ďalšie krivky spájajúce východiskový a konečný bod, čo by malo za následok rôzne vykonané práce. Preto je tvar dráhy na diagrame relevantný.
Adiabatický proces sa javí ako krivka, ktorá sa riadi vzťahom:
P \ propto \ frac {1} {V ^ c}
Kdecje pomer špecifických horúčav cp/ cv (cpje špecifické teplo plynu pre konštantný tlak acvje merné teplo pre konštantný objem). Pre ideálny monatomický plync= 1,66 a pre vzduch, ktorý je primárne kremelinou,c = 1.4
Adiabatické procesy v tepelných motoroch
Tepelné motory sú motory, ktoré premieňajú tepelnú energiu na mechanickú prostredníctvom úplného nejakého cyklu. Na P-V diagrame vytvorí cyklus tepelného motora uzavretú slučku so stavom motora končiacim tam, kde začal, ale pracuje na tom, aby sa tam dostal.
Mnoho procesov funguje iba jedným smerom; reverzibilné procesy však fungujú rovnako dobre dopredu aj dozadu bez porušenia fyzikálnych zákonov. Adiabatický proces je typom reverzibilného procesu. Vďaka tomu je obzvlášť užitočný v tepelnom motore, pretože znamená, že nepremieňa žiadnu energiu na neobnoviteľnú formu.
V tepelnom motore je celková práca vykonaná motorom oblasťou obsiahnutou v cykle cyklu.
Ostatné termodynamické procesy
Medzi ďalšie termodynamické procesy, ktoré sú podrobnejšie uvedené v iných článkoch, patria:
Izobarické procesy, ktoré prebiehajú pri konštantnom tlaku. Budú vyzerať ako vodorovné čiary na P-V diagrame. Práca vykonaná v izobarickom procese sa rovná hodnote konštantného tlaku vynásobenej zmenou objemu.
Izochorický proces, ktorý sa vyskytuje pri konštantnom objeme. Vyzerajú to ako zvislé čiary na P-V diagrame. Pretože sa objem počas týchto procesov nemení, nevykonáva sa žiadna práca.
Izotermické procesy prebiehajú pri stálej teplote. Rovnako ako adiabatické procesy, sú reverzibilné. Aby však mohol byť proces dokonale izotermický, musí udržiavať konštantnú rovnováhu, čo by bolo potrebné Znamená to, že by sa muselo vyskytovať nekonečne pomaly, na rozdiel od okamžitej potreby adiabatika procesu.