Термодинамика је грана физике која проучава процесе помоћу којих топлотна енергија може променити облик. Често се идеални гасови посебно проучавају, јер не само да су много једноставнији за разумевање, већ се многи гасови могу апроксимирати као идеални.
Одређено термодинамичко стање дефинисано је променљивим стања. Ту спадају притисак, запремина и температура. Проучавајући процесе којима се термодинамички систем мења из једног стања у друго, можете стећи дубље разумевање основне физике.
Неколико идеализованих термодинамичких процеса описује како стања идеалног гаса могу да се промене. Адијабатски процес је само један од ових.
Променљиве стања, функције стања и функције процеса
Стање идеалног гаса у било ком тренутку времена може се описати променом стања притисак, запремина и температура. Ове три количине су довољне за одређивање тренутног стања гаса и уопште не зависе од тога како је гас стекао своје тренутно стање.
Остале величине, попут унутрашње енергије и ентропије, функције су ових променљивих стања. Опет, државне функције не зависе ни од тога како је систем доспео у своје одређено стање. Они зависе само од променљивих које описују стање у којем се тренутно налази.
Функције процеса, с друге стране, описују процес. Топлота и рад су процесне функције у термодинамичком систему. Топлота се размењује само током промене из једног стања у друго, баш као што се посао може обавити само док систем мења стање.
Шта је адијабатски процес?
Адијабатски процес је термодинамички процес који се јавља без преноса топлоте између система и његове околине. Другим речима, стање се мења, може се радити на систему или током њега током ове промене, али се не додаје и не уклања топлотна енергија.
Пошто се ниједан физички процес не може десити тренутно и ниједан систем не може бити у потпуности изолован, у стварности се никада не може постићи савршено адијабатско стање. Међутим, може се приближити, а проучавањем се може много научити.
Што се процес брже дешава, то је ближи адијабати, јер ће бити мање времена за пренос топлоте.
Адијабатски процеси и први закон термодинамике
Први закон термодинамике каже да је промена унутрашње енергије система једнака разлици топлоте додате у систем и рада система. У облику једначине, ово је:
\ Делта Е = К-В
ГдеЕ.је унутрашња енергија,Кје топлота додата у систем иВје посао који систем обавља.
Будући да се у адијабатском процесу не врши размена топлоте, онда мора бити следеће:
\ Делта Е = -З
Другим речима, ако енергија напусти систем, то је резултат система који ради, а ако енергија уђе у систем, она долази директно из рада обављеног на систему.
Адијабатско ширење и компресија
Када се систем прошири адијабатски, запремина се повећава док се топлота не размењује. Ово повећање обима представља рад система на животној средини. Отуда се унутрашња енергија мора смањити. Будући да је унутрашња енергија директно пропорционална температури гаса, то значи да ће промена температуре бити негативна (температура пада).
Из закона о идеалном гасу можете добити следећи израз за притисак:
П = \ фрац {нРТ} {В}
Гденје број кртица,Р.је идеална гасна константа,Т.је температура иВ.је запремина.
За адијабатско ширење, температура опада док јачина звука расте. То значи да би притисак такође требало да опада јер би се у горњем изразу бројилац смањио, док би се називник повећао.
Код адијабатске компресије догађа се обрнуто. Будући да смањење обима указује на рад околине на систему, то би дају позитивну промену унутрашње енергије која одговара порасту температуре (виши коначни температура).
Ако се температура повећава док се запремина смањује, тада се повећава и притисак.
Један пример који илуструје приближно адијабатски процес који се често приказује на курсевима физике је рад ватрогасног шприца. Ватрогасни шприц се састоји од изоловане цеви која је на једном крају затворена, а на другом крају има клип. Клип се може притиснути према доле за сабијање ваздуха у цеви.
Ако се мали комад памука или другог запаљивог материјала стави у цев на собној температури, а онда је клип потиснути надоле, стање гаса у цеви ће се променити уз минималну размену топлоте са спољне стране. Повећани притисак у цеви који настаје приликом компресије доводи до драматичног пораста температуре у цеви, довољно да мали комад памука сагорева.
П-В дијаграми
А.притисак-запремина(П-В) дијаграм је граф који приказује промену стања термодинамичког система. На таквом дијаграму запремина је уцртана уИкс-ос, а притисак се црта наг.-ос. Стање је означено са (к, и) тачка која одговара одређеном притиску и запремини. (Напомена: Температура се може одредити из притиска и запремине помоћу закона о идеалном гасу).
Како се стање мења из одређеног притиска и запремине у други притисак и запремину, на дијаграму се може нацртати крива која показује како је дошло до промене стања. На пример, изобарски поступак (у коме притисак остаје константан) изгледао би као хоризонтална линија на П-В дијаграму. Остале криве се могу нацртати повезујући почетну и завршну тачку, што би резултирало различитим обимима посла који се обавља. Због тога је облик путање на дијаграму релевантан.
Адијабатски процес се приказује као крива која поштује однос:
П \ пропто \ фрац {1} {В ^ ц}
Гдецје однос специфичних топлота цстр/ цв (цстрје специфична топлота гаса за стални притисак, ицвје специфична топлота за константну запремину). За идеалан монатомски гас,ц= 1,66, а за ваздух, који је првенствено двоатомни гас,ц = 1.4
Адијабатски процеси у топлотним моторима
Топлотни мотори су мотори који претварају топлотну енергију у механичку кроз комплетан циклус неке врсте. На дијаграму П-В, циклус топлотног мотора формираће затворену петљу, са стањем мотора који се завршава тамо где је започео, али обавља посао у процесу доласка до њега.
Многи процеси раде само у једном правцу; међутим, реверзибилни процеси раде подједнако добро напред и назад без кршења закона физике. Адијабатски процес је врста реверзибилног процеса. То га чини посебно корисним у топлотном мотору, јер значи да не претвара енергију у непоправљив облик.
У топлотном мотору, укупан рад који мотор обавља је површина садржана у кругу циклуса.
Остали термодинамички процеси
Остали термодинамички процеси о којима се детаљније говори у другим чланцима укључују:
Изобарни процеси, који се јављају под сталним притиском. Ово ће изгледати као хоризонталне линије на П-В дијаграму. Рад у изобарном процесу једнак је вредности константног притиска помноженој са променом запремине.
Изохорни процес, који се јавља при константној запремини. Ово изгледа као вертикалне линије на П-В дијаграму. Због чињенице да се запремина током ових процеса не мења, не ради се.
Изотермни процеси се јављају при константној температури. Попут адијабатских процеса, ови су реверзибилни. Међутим, да би процес био савршено изотермичан, мора одржавати сталну равнотежу, која би значи да би се то морало одвијати бескрајно споро, за разлику од тренутног захтева за адијабатом процес.