กระบวนการอะเดียแบติก: ความหมาย สมการ และตัวอย่าง

เทอร์โมไดนามิกส์เป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่ศึกษากระบวนการที่พลังงานความร้อนสามารถเปลี่ยนรูปแบบได้ บ่อยครั้งที่มีการศึกษาก๊าซในอุดมคติโดยเฉพาะ เพราะไม่เพียงแต่จะเข้าใจได้ง่ายกว่ามากเท่านั้น แต่ยังสามารถประมาณค่าก๊าซจำนวนมากได้ว่าเป็นอุดมคติ

สถานะทางอุณหพลศาสตร์เฉพาะถูกกำหนดโดยตัวแปรสถานะ ซึ่งรวมถึงความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิ ด้วยการศึกษากระบวนการที่ระบบเทอร์โมไดนามิกเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง คุณสามารถทำความเข้าใจฟิสิกส์พื้นฐานได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น

กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ในอุดมคติหลายกระบวนการอธิบายว่าสถานะของก๊าซในอุดมคติสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างไร กระบวนการอะเดียแบติกเป็นเพียงหนึ่งในนั้น

สถานะของก๊าซในอุดมคติ ณ จุดใดเวลาหนึ่งสามารถอธิบายได้ด้วยตัวแปรสถานะ ความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิ ปริมาณทั้งสามนี้เพียงพอในการพิจารณาสภาพปัจจุบันของก๊าซและไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าก๊าซได้รับสถานะปัจจุบันอย่างไร

ปริมาณอื่นๆ เช่น พลังงานภายในและเอนโทรปี เป็นหน้าที่ของตัวแปรสถานะเหล่านี้ อีกครั้ง ฟังก์ชันสถานะไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าระบบเข้าสู่สถานะเฉพาะอย่างไร ขึ้นอยู่กับตัวแปรที่อธิบายสถานะปัจจุบันเท่านั้น

ในทางกลับกัน ฟังก์ชันกระบวนการจะอธิบายกระบวนการ ความร้อนและงานเป็นหน้าที่ของกระบวนการในระบบเทอร์โมไดนามิกส์ ความร้อนจะถูกแลกเปลี่ยนระหว่างการเปลี่ยนแปลงจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งเท่านั้น เช่นเดียวกับการทำงานที่สามารถทำได้เมื่อระบบเปลี่ยนสถานะ

กระบวนการอะเดียแบติกเป็นกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ที่เกิดขึ้นโดยไม่มีการถ่ายเทความร้อนระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม กล่าวอีกนัยหนึ่ง สถานะเปลี่ยนแปลง สามารถทำงานบนหรือโดยระบบในระหว่างการเปลี่ยนแปลงนี้ แต่ไม่มีการเพิ่มหรือลบพลังงานความร้อน

เนื่องจากไม่มีกระบวนการทางกายภาพใดเกิดขึ้นได้ในทันที และไม่มีระบบใดที่สามารถหุ้มฉนวนได้อย่างสมบูรณ์ สภาวะอะเดียแบติกที่สมบูรณ์แบบไม่สามารถทำได้ในความเป็นจริง อย่างไรก็ตาม มันสามารถประมาณได้ และสามารถเรียนรู้ได้มากมายโดยการศึกษามัน

ยิ่งกระบวนการเกิดขึ้นเร็วเท่าไหร่ ก็ยิ่งเข้าใกล้อะเดียแบติกมากขึ้นเท่านั้น เพราะเวลาในการถ่ายเทความร้อนก็จะน้อยลง

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในของระบบเท่ากับความแตกต่างของความร้อนที่เพิ่มเข้าไปในระบบและงานที่ทำโดยระบบ ในรูปแบบสมการ นี่คือ:

ที่ไหนอีคือพลังงานภายในคิวคือความร้อนที่เพิ่มเข้ามาในระบบและWคืองานที่ทำโดยระบบ

เนื่องจากไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนในกระบวนการอะเดียแบติก จึงต้องเป็นกรณีที่:

กล่าวอีกนัยหนึ่งหากพลังงานออกจากระบบก็เป็นผลมาจากระบบที่ทำงานอยู่ และหากพลังงานเข้าสู่ระบบก็เป็นผลโดยตรงจากงานที่ทำในระบบ

เมื่อระบบขยายตัวแบบอะเดียแบติก ปริมาตรจะเพิ่มขึ้นในขณะที่ไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อน ปริมาณที่เพิ่มขึ้นนี้ถือเป็นงานที่ระบบทำกับสิ่งแวดล้อม ดังนั้นพลังงานภายในจะต้องลดลง เนื่องจากพลังงานภายในเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิของก๊าซ ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิจะเป็นลบ (อุณหภูมิลดลง)

จากกฎของแก๊สในอุดมคติ คุณจะได้นิพจน์สำหรับความดันดังต่อไปนี้:

ที่ไหนนคือจำนวนโมลRเป็นค่าคงที่แก๊สอุดมคติตู่คืออุณหภูมิและวีคือปริมาณ

สำหรับการขยายตัวแบบอะเดียแบติก อุณหภูมิจะลดลงในขณะที่ปริมาตรเพิ่มขึ้น ซึ่งหมายความว่าความดันควรลดลงด้วยเพราะในนิพจน์ข้างต้น ตัวเศษจะลดลงในขณะที่ตัวส่วนจะเพิ่มขึ้น

ในการบีบอัดแบบอะเดียแบติก การย้อนกลับจะเกิดขึ้น เนื่องจากปริมาณที่ลดลงบ่งชี้ว่ามีงานที่ทำในระบบโดยสิ่งแวดล้อม สิ่งนี้จะ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในเชิงบวกในพลังงานภายในที่สอดคล้องกับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น (ขั้นสุดท้ายที่สูงขึ้น อุณหภูมิ).

หากอุณหภูมิเพิ่มขึ้นในขณะที่ปริมาตรลดลง ความดันก็จะเพิ่มขึ้นด้วย

ตัวอย่างหนึ่งที่แสดงให้เห็นกระบวนการอะเดียแบติกโดยประมาณที่มักแสดงในหลักสูตรฟิสิกส์คือการทำงานของกระบอกฉีดยาดับเพลิง กระบอกฉีดยาดับเพลิงประกอบด้วยท่อหุ้มฉนวนที่ปิดที่ปลายด้านหนึ่งและมีลูกสูบอยู่ที่ปลายอีกด้านหนึ่ง สามารถกดลูกสูบลงไปเพื่ออัดอากาศในท่อได้

หากใส่ผ้าฝ้ายชิ้นเล็กๆ หรือวัสดุไวไฟอื่นๆ ลงในท่อที่อุณหภูมิห้อง จากนั้นลูกสูบก็จะ เมื่อกดลงไปอย่างรวดเร็ว สถานะของก๊าซในท่อจะเปลี่ยนโดยมีการแลกเปลี่ยนความร้อนน้อยที่สุดกับภายนอก แรงดันที่เพิ่มขึ้นในท่อที่เกิดขึ้นเมื่อกดอัดจะทำให้อุณหภูมิภายในท่อเพิ่มขึ้นอย่างมาก ซึ่งเพียงพอที่ฝ้ายชิ้นเล็กๆ จะเผาไหม้

อาความดัน-ปริมาตรแผนภาพ (P-V) เป็นกราฟที่แสดงการเปลี่ยนแปลงสถานะของระบบเทอร์โมไดนามิกส์ ในไดอะแกรมดังกล่าว ปริมาตรจะถูกพล็อตบนx-แกนและความดันถูกพล็อตบนy-แกน. สถานะถูกระบุโดย (x, y) จุดที่สอดคล้องกับความดันและปริมาตรเฉพาะ (หมายเหตุ: อุณหภูมิสามารถกำหนดได้จากความดันและปริมาตรโดยใช้กฎของแก๊สในอุดมคติ)

เมื่อสถานะเปลี่ยนจากความดันและปริมาตรเฉพาะหนึ่งไปเป็นความดันและปริมาตรอื่น สามารถวาดเส้นโค้งบนแผนภาพเพื่อระบุว่าการเปลี่ยนแปลงสถานะเกิดขึ้นได้อย่างไร ตัวอย่างเช่น กระบวนการไอโซบาริก (ซึ่งแรงดันคงที่) จะดูเหมือนเส้นแนวนอนบนไดอะแกรม P-V สามารถวาดเส้นโค้งอื่นๆ ที่เชื่อมจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดได้ ซึ่งจะส่งผลให้มีปริมาณงานที่ทำแตกต่างกันออกไป นี่คือสาเหตุที่รูปร่างของเส้นทางบนไดอะแกรมมีความเกี่ยวข้อง

กระบวนการอะเดียแบติกปรากฏขึ้นเป็นเส้นโค้งที่เป็นไปตามความสัมพันธ์:

ที่ไหนคคืออัตราส่วนของความร้อนจำเพาะ c_พี/ค_วี (​ค_พีคือ ความร้อนจำเพาะของแก๊สสำหรับความดันคงที่ และค_วีคือความร้อนจำเพาะของปริมาตรคงที่) สำหรับก๊าซโมโนโทมิกในอุดมคติค= 1.66 และสำหรับอากาศซึ่งส่วนใหญ่เป็นก๊าซไดอะตอมมิกค​ = 1.4

เครื่องยนต์ความร้อนเป็นเครื่องยนต์ที่แปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานกลผ่านวัฏจักรที่สมบูรณ์บางประเภท บนไดอะแกรม P-V วัฏจักรเครื่องยนต์ความร้อนจะสร้างลูปปิด โดยที่สถานะของเครื่องยนต์จะสิ้นสุดที่จุดเริ่มต้น แต่กำลังทำงานอยู่ในกระบวนการไปถึงที่นั่น

หลายกระบวนการทำงานในทิศทางเดียวเท่านั้น อย่างไรก็ตาม กระบวนการย้อนกลับทำงานได้ดีเท่ากันทั้งไปข้างหน้าและข้างหลังโดยไม่ละเมิดกฎของฟิสิกส์ กระบวนการอะเดียแบติกเป็นกระบวนการแบบย้อนกลับได้ สิ่งนี้ทำให้มีประโยชน์อย่างยิ่งในเครื่องยนต์ความร้อน เนื่องจากไม่ได้แปลงพลังงานใดๆ ให้อยู่ในรูปแบบที่ไม่สามารถกู้คืนได้

ในเครื่องยนต์ความร้อน งานทั้งหมดที่เครื่องยนต์ทำคือพื้นที่ที่อยู่ภายในวงจรของวงจร

กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์อื่น ๆ ที่กล่าวถึงในรายละเอียดเพิ่มเติมในบทความอื่น ๆ ได้แก่:

กระบวนการไอโซบาริกซึ่งเกิดขึ้นที่ความดันคงที่ สิ่งเหล่านี้จะดูเหมือนเส้นแนวนอนบนไดอะแกรม P-V งานที่ทำในกระบวนการไอโซบาริกมีค่าเท่ากับค่าความดันคงที่คูณด้วยการเปลี่ยนแปลงของปริมาตร

กระบวนการ Isochoric ซึ่งเกิดขึ้นที่ปริมาตรคงที่ สิ่งเหล่านี้ดูเหมือนเส้นแนวตั้งบนไดอะแกรม P-V เนื่องจากปริมาณไม่เปลี่ยนแปลงระหว่างกระบวนการเหล่านี้ จึงไม่มีงานทำ

กระบวนการไอโซเทอร์มอลเกิดขึ้นที่อุณหภูมิคงที่ เช่นเดียวกับกระบวนการอะเดียแบติก สิ่งเหล่านี้สามารถย้อนกลับได้ อย่างไรก็ตาม เพื่อให้กระบวนการมีอุณหภูมิความร้อนที่สมบูรณ์แบบ จะต้องรักษาสมดุลให้คงที่ซึ่งจะ หมายความว่ามันจะต้องเกิดขึ้นอย่างช้าๆ อย่างไม่สิ้นสุด ตรงกันข้ามกับข้อกำหนดในทันทีสำหรับอะเดียแบติก กระบวนการ.