Термодинаміка - це розділ фізики, який вивчає процеси, за допомогою яких теплова енергія може змінювати форму. Часто ідеальні гази вивчаються спеціально, оскільки не тільки їх набагато простіше зрозуміти, але багато газів можна апроксимувати як ідеальні.
Конкретний термодинамічний стан визначається змінними стану. Сюди входять тиск, об’єм і температура. Вивчаючи процеси, за допомогою яких термодинамічна система переходить з одного стану в інший, ви можете глибше зрозуміти основну фізику.
Кілька ідеалізованих термодинамічних процесів описують, як можуть змінюватися стани ідеального газу. Адіабатичний процес - лише один із таких.
Змінні стану, функції стану та функції процесу
Стан ідеального газу в будь-який момент часу може бути описаний змінними стану тиску, об'єму та температури. Ці три величини є достатніми для визначення поточного стану газу і зовсім не залежать від того, як газ отримав свій поточний стан.
Інші величини, такі як внутрішня енергія та ентропія, є функціями цих змінних стану. Знову ж таки, функції штату також не залежать від того, як система потрапила у свій конкретний стан. Вони залежать лише від змінних, що описують стан, в якому він перебуває на даний момент.
Функції процесу, навпаки, описують процес. Тепло і робота - це функції процесу в термодинамічній системі. Тепло обмінюється лише під час переходу з одного стану в інший, так само, як робота може бути виконана лише в міру зміни стану системи.
Що таке адіабатичний процес?
Адіабатичний процес - це термодинамічний процес, який відбувається без передачі тепла між системою та її середовищем. Іншими словами, стан змінюється, робота може здійснюватися в системі або системою під час цієї зміни, але теплова енергія не додається і не відводиться.
Оскільки жоден фізичний процес не може відбутися миттєво, і жодна система не може бути по-справжньому ідеально ізольованою, то насправді ніколи не можна досягти абсолютно адіабатичного стану. Однак його можна наблизити, і багато чого можна дізнатися, вивчаючи його.
Чим швидше відбувається процес, тим ближче він може бути до адіабатичного, оскільки тим менше буде часу на передачу тепла.
Адіабатичні процеси та перший закон термодинаміки
Перший закон термодинаміки стверджує, що зміна внутрішньої енергії системи дорівнює різниці теплоти, що додається до системи, і роботи, виконаної системою. У вигляді рівняння це:
\ Delta E = Q-W
ДеЕ- внутрішня енергія,Питання- тепло, що додається до системи іWце робота, виконана системою.
Оскільки при адіабатичному процесі не відбувається теплообмін, то має бути таке:
\ Delta E = -W
Іншими словами, якщо енергія залишає систему, це результат роботи системи, а якщо енергія потрапляє в систему, то це безпосередньо результат роботи, виконаної в системі.
Адіабатичне розширення та стиснення
Коли система розширюється адіабатично, об’єм збільшується, в той час як тепло не відбувається. Це збільшення обсягу становить роботу, що проводиться системою щодо навколишнього середовища. Отже, внутрішня енергія повинна зменшуватися. Оскільки внутрішня енергія прямо пропорційна температурі газу, це означає, що зміна температури буде негативною (температура падає).
З закону ідеального газу ви можете отримати такий вираз для тиску:
P = \ frac {nRT} {V}
Деп- кількість родимок,Р- ідеальна газова постійна,Т- це температура іV- обсяг.
Для адіабатичного розширення температура знижується, а об'єм зростає. Це означає, що тиск також повинен знижуватися, оскільки у наведеному вище виразі чисельник зменшуватиметься, тоді як знаменник збільшуватиметься.
При адіабатичному стисненні відбувається зворотне. Оскільки зменшення обсягу вказує на те, що середовище проводить роботу над системою, це могло б зробити дають позитивну зміну внутрішньої енергії, що відповідає підвищенню температури (вищий кінцевий температура).
Якщо температура збільшується, а об'єм зменшується, то і тиск також зростає.
Одним із прикладів, який ілюструє приблизно адіабатичний процес, який часто показують на курсах фізики, є робота вогневого шприца. Пожежний шприц складається з ізольованої трубки, яка на одному кінці закрита, а на іншому - поршень. Поршень можна натиснути вниз, щоб стиснути повітря в трубці.
Якщо в пробірку помістити невеликий шматочок бавовни або іншого легкозаймистого матеріалу при кімнатній температурі, тоді поршень є натискаючи вниз дуже швидко, стан газу в трубці зміниться з мінімальним теплообміном із зовнішньою стороною. Підвищений тиск у трубці, який відбувається при стисненні, призводить до того, що температура всередині трубки різко зростає, настільки, що невеликий шматочок бавовни згоряє.
Діаграми P-V
Aтиск-об'ємДіаграма (P-V) - це графік, який відображає зміну стану термодинамічної системи. На такій діаграмі обсяг наноситься нах-ось, і тиск наноситься нар-вісь. Стан позначається символом (х, у) точка, що відповідає певному тиску та об'єму. (Примітка: Температуру можна визначити за тиском та об’ємом, використовуючи закон ідеального газу).
У міру зміни стану від одного конкретного тиску та об’єму до іншого тиску та об’єму, на діаграмі можна намалювати криву, яка вказує, як відбулася зміна стану. Наприклад, ізобарний процес (при якому тиск залишається постійним) мав би виглядати як горизонтальна лінія на діаграмі P-V. Інші криві можна намалювати, з’єднуючи початкову і кінцеву точки, і, як наслідок, це призведе до різного обсягу виконаної роботи. Ось чому форма шляху на діаграмі актуальна.
Адіабатичний процес виявляється у вигляді кривої, яка підпорядковується співвідношенню:
P \ propto \ frac {1} {V ^ c}
Деc- це співвідношення питомих теплоємностей cстор/ cv (cстор- питома теплоємність газу при постійному тиску, іcv- питома теплоємність для постійного об’єму). Для ідеального одноатомного газу,c= 1,66, а для повітря, яке є переважно двохатомним газом,c = 1.4
Адіабатичні процеси в теплових двигунах
Теплові двигуни - це двигуни, які перетворюють теплову енергію в механічну через повний певний цикл. На діаграмі P-V цикл теплового двигуна буде утворювати замкнутий цикл із станом двигуна, що закінчується там, де він запустився, але виконує роботу в процесі потрапляння туди.
Багато процесів працюють лише в одному напрямку; однак оборотні процеси однаково добре працюють вперед і назад, не порушуючи законів фізики. Адіабатичний процес - це тип оборотного процесу. Це робить його особливо корисним у тепловій машині, оскільки це означає, що він не перетворює будь-яку енергію у невиправлену форму.
У тепловій машині загальна робота, виконана двигуном, - це площа, що міститься в циклі циклу.
Інші термодинамічні процеси
Інші термодинамічні процеси, про які детальніше йдеться в інших статтях, включають:
Ізобарні процеси, що відбуваються при постійному тиску. Вони будуть виглядати як горизонтальні лінії на діаграмі P-V. Робота, виконана в ізобарному процесі, дорівнює значенню постійного тиску, помноженому на зміну об'єму.
Ізохорний процес, що відбувається при постійному обсязі. Вони виглядають як вертикальні лінії на діаграмі P-V. Через те, що обсяг не змінюється під час цих процесів, ніякої роботи не робиться.
Ізотермічні процеси відбуваються при постійній температурі. Як і адіабатичні процеси, вони оборотні. Однак для того, щоб процес був ідеально ізотермічним, він повинен підтримувати постійну рівновагу, яка б означає, що це мало б відбуватися нескінченно повільно, на відміну від миттєвої потреби в адіабаті процес.