Adiabatski procesi: opredelitev, enačba in primeri

Termodinamika je veja fizike, ki preučuje procese, s katerimi lahko toplotna energija spremeni obliko. Pogosto se natančno preučujejo idealni plini, ker jih je ne samo veliko enostavneje razumeti, temveč je veliko plinov mogoče približati idealnim.

Posebno spremenljivko stanja definirajo spremenljivke stanja. Sem spadajo tlak, prostornina in temperatura. S preučevanjem procesov, s katerimi se termodinamični sistem spreminja iz enega stanja v drugo, lahko globlje razumete osnovno fiziko.

Več idealiziranih termodinamičnih procesov opisuje, kako se lahko stanje idealnega plina spremeni. Adiabatski proces je le eden od teh.

Stanje idealnega plina v katerem koli trenutku lahko opišemo s spremenljivkami stanja tlak, prostornina in temperatura. Te tri količine zadostujejo za določanje trenutnega stanja plina in sploh niso odvisne od tega, kako je plin dosegel trenutno stanje.

Druge količine, kot sta notranja energija in entropija, so funkcije teh spremenljivk stanja. Tudi funkcije držav niso odvisne od tega, kako je sistem prišel v svoje posebno stanje. Odvisne so le od spremenljivk, ki opisujejo trenutno stanje.

Funkcije procesa pa opisujejo postopek. Toplota in delo sta procesni funkciji v termodinamičnem sistemu. Toplota se izmenjuje samo med prehodom iz enega stanja v drugega, tako kot je mogoče opraviti delo le, ko sistem spremeni stanje.

Adiabatski proces je termodinamični proces, ki se zgodi brez prenosa toplote med sistemom in okoljem. Z drugimi besedami, stanje se spremeni, sistem lahko med to spremembo opravi na sistemu ali s sistemom, vendar se ne dodaja in ne odvaja toplotna energija.

Ker se noben fizični proces ne more zgoditi takoj in noben sistem ne more biti zares popolnoma izoliran, v resnici nikoli ni mogoče doseči popolnoma adijabatskega stanja. Vendar ga je mogoče približati in se lahko veliko naučimo, če ga preučimo.

Hitreje kot se postopek zgodi, bližje je lahko adiabati, ker manj časa bo za prenos toplote.

Prvi zakon termodinamike pravi, da je sprememba notranje energije sistema enaka razliki toplote, dodane sistemu, in dela, ki ga sistem opravi. V obliki enačbe je to:

KjeEje notranja energija,Vje toplota, dodana sistemu inWje delo, ki ga opravi sistem.

Ker pri adiabatskem postopku ni izmenjave toplote, mora biti tako:

Z drugimi besedami, če energija zapusti sistem, je to rezultat dela sistema, in če energija vstopi v sistem, je rezultat neposredno opravljenega dela v sistemu.

Ko se sistem adiabatsko razširi, se prostornina poveča, medtem ko se toplota ne izmenjuje. To povečanje obsega pomeni delo sistema na področju okolja. Zato se mora notranja energija zmanjšati. Ker je notranja energija neposredno sorazmerna s temperaturo plina, to pomeni, da bo temperaturna sprememba negativna (temperatura pade).

Iz zakona o idealnem plinu lahko dobite naslednji izraz za tlak:

Kjenje število molov,Rje idealna plinska konstanta,Tje temperatura inVje prostornina.

Za adiabatsko širitev se temperatura znižuje, medtem ko se glasnost povečuje. To pomeni, da bi se moral zmanjšati tudi tlak, ker bi se v zgornjem izrazu števec zmanjšal, medtem ko bi se imenovalec povečal.

Pri adiabatskem stiskanju se zgodi obratno. Ker zmanjšanje obsega pomeni, da na sistemu dela okolje, bi to lahko dajo pozitivno spremembo notranje energije, ki ustreza dvigu temperature (višji končni temperatura).

Če se temperatura zviša, medtem ko se prostornina zmanjša, se poveča tudi tlak.

Primer, ki ponazarja približno adiabatski proces, ki se pogosto kaže na tečajih fizike, je delovanje gasilne brizge. Požarna brizga je sestavljena iz izolirane cevi, ki je na enem koncu zaprta, na drugem pa je bat. Bat lahko potisnete navzdol, da stisnete zrak v cevi.

Če je majhen košček bombaža ali drugega vnetljivega materiala vstavljen v cev pri sobni temperaturi, potem je bat potisnjeno navzdol se bo stanje plina v cevi spremenilo z minimalno izmenjavo toplote z zunanjostjo. Povišan tlak v cevi, ki se zgodi ob stiskanju, povzroči, da se temperatura v cevi drastično dvigne, tako da majhen košček bombaža zgoreva.

Atlak-prostorninaDiagram (P-V) je graf, ki prikazuje spremembo stanja termodinamičnega sistema. V takem diagramu je prostornina narisana nax-os in pritisk je narisan nay-os. Stanje je označeno z (x, y) točka, ki ustreza določenemu tlaku in prostornini. (Opomba: Temperaturo lahko določimo iz tlaka in prostornine z uporabo zakona o idealnem plinu).

Ko se stanje spreminja iz določenega tlaka in prostornine v drugega tlaka in prostornine, lahko na diagramu narišemo krivuljo, ki kaže, kako je prišlo do spremembe stanja. Na primer, izobarni postopek (pri katerem tlak ostane konstanten) bi bil videti kot vodoravna črta na diagramu P-V. Lahko se narišejo druge krivulje, ki povezujejo začetno in končno točko, kar bi posledično povzročilo različne količine opravljenega dela. Zato je oblika poti na diagramu pomembna.

Adiabatski proces se pokaže kot krivulja, ki upošteva razmerje:

Kjecje razmerje med specifičnimi toplotami c_str/ c_v (​c_str- specifična toplota plina za stalni tlak inc_vje specifična toplota za konstantno prostornino). Za idealen monatomski plin,c= 1,66, za zrak, ki je predvsem dvoatomski plin,c​ = 1.4

Toplotni motorji so motorji, ki s celotnim nekakšnim ciklom pretvarjajo toplotno energijo v mehansko. Na diagramu P-V cikel toplotnega motorja tvori zaprto zanko, pri čemer se stanje motorja konča tam, kjer se je zagnal, vendar v tem procesu opravlja delo.

Številni procesi delujejo samo v eno smer; vendar reverzibilni procesi delujejo enako dobro naprej in nazaj, ne da bi kršili zakone fizike. Adiabatski proces je vrsta reverzibilnega procesa. Zaradi tega je še posebej uporaben v toplotnem stroju, saj pomeni, da ne pretvori energije v nepopravljivo obliko.

V toplotnem motorju je celotno delo, ki ga opravi motor, površina, ki jo vsebuje zanka cikla.

Drugi termodinamični procesi, ki so podrobneje obravnavani v drugih člankih, vključujejo:

Izobarni procesi, ki se pojavljajo pri stalnem tlaku. Na diagramu P-V bodo videti kot vodoravne črte. Delo, opravljeno v izobarnem postopku, je enako vrednosti konstantnega tlaka, pomnožene s spremembo prostornine.

Izohorski proces, ki se pojavlja pri konstantni prostornini. Na diagramu P-V so videti kot navpične črte. Ker se glasnost med temi procesi ne spremeni, se ne opravi nobeno delo.

Izotermični procesi se pojavljajo pri konstantni temperaturi. Tako kot adiabatski procesi so tudi ti reverzibilni. Da pa je proces popolnoma izotermičen, mora vzdrževati stalno ravnotežje, kar bi pomeni, da bi se moral pojaviti neskončno počasi, v nasprotju s trenutno potrebo po adiabati proces.