(Pentru o substanță simplă, în timpul unui proces adiabatic în care volumul crește, energia internă a substanței active trebuie să scadă.)
În termodinamică, un proces adiabatic este unul care are loc fără transfer de căldură sau materie între un sistem termodinamic și împrejurimile sale. Într-un proces adiabatic, energia este transferată în împrejurimile ei numai ca lucru mecanic. Procesul adiabatic oferă o bază conceptuală riguroasă pentru teoria folosită pentru a expune prima lege a termodinamicii și, ca atare, este un concept-cheie în termodinamică.
Unele procese chimice și fizice apar atât de rapid încât pot fi descrise în mod convenabil prin termenul „aproximație adiabatică”, ceea ce înseamnă că nu este suficient timp pentru ca transferul de energie sub formă de căldură să aibă loc în sau din sistem.
Cu titlu de exemplu, temperatura flăcării adiabatice este o idealizare care folosește „aproximarea adiabatică” astfel încât să ofere un calcul al limitelor superioare ale temperaturilor produse prin arderea unui combustibil. Temperatura adiabatică a flăcării este temperatura care ar fi obținută de o flacără dacă procesul de ardere ar fi avut loc în absența pierderilor de căldură în împrejurimi.
Descriere
Un proces care nu implică transferul de căldură sau materie în sau din sistem, astfel încât Q = 0, se numește un proces adiabatic, și se spune că un astfel de sistem este izolat adiabatic. Presupunerea că un proces este adiabatic este o presupunere simplificată frecvent făcută. De exemplu, se presupune că comprimarea unui gaz într-un cilindru al unui motor se produce atât de rapid încât, pe scala de timp a procesului de compresie, puțină energie din sistem poate fi transferată sub formă de căldură în împrejurimi. Chiar dacă cilindrii nu sunt izolați și sunt destul de conductivi, acest proces este idealalizat pentru a fi adiabatic. Același lucru se poate spune că este valabil și pentru procesul de expansiune al unui astfel de sistem.
Presupunerea izolării adiabatice a unui sistem este una utilă și este adesea combinată cu altele pentru a face posibilă calcularea comportamentului sistemului. Asemenea ipoteze sunt idealizări. Comportamentul mașinilor reale deviază de la aceste idealizări, însă presupunerea unui astfel de comportament „perfect” oferă o primă aproximare utilă a modului în care funcționează lumea reală. Potrivit lui Laplace, când sunetul călătorește într-un gaz, nu există timp pentru conducția căldurii în mediu și astfel propagarea sunetului este adiabatică. Pentru un astfel de proces adiabatic, modulul de elasticitate (modulul Young) poate fi exprimat ca E = γP, unde γ este raportul dintre încălzirea specifică la presiune constantă și volumul constant (γ = Cp/Cv) și P este presiunea benzinei
Diferite aplicații ale ipotezei adiabatice
Pentru un sistem închis, se poate scrie prima lege a termodinamicii ca: ΔU = Q + W, unde ΔU denotă schimbarea energiei interne a sistemului, Q cantitatea de energie adăugată la aceasta sub formă de căldură și W lucrul mecanic efectuar pe ea de împrejurimile sale.
- Dacă sistemul are pereți rigizi, astfel încât lucrul mecanic nu poate fi transferat în interior sau în exterior (W = 0), iar pereții sistemului nu sunt adiabatici și se adaugă energie sub formă de căldură (Q > 0) și nu există schimbare de fază, temperatura sistemului va crește.
- Dacă sistemul are pereți rigizi, astfel încât lucrul mecanic presiune-volum nu poate fi efectuat, iar pereții sistemului sunt adiabatici (Q = 0), dar energia este adăugată ca activitate izocoră sub formă de frecare sau agitare a unui fluid vâscos în sistem (W > 0) și nu există schimbări de fază, temperatura sistemului va crește.
- Dacă pereții sistemului sunt adiabatici (Q = 0), dar nu rigizi (W ≠ 0) și, într-un proces fictiv idealizat, se adaugă energie la sistem sub formă de lucru mecanic presiune-volum nevâscos fără frecare, și nu există nici o schimbare de fază, temperatura sistemului va crește. Un astfel de proces este numit proces izentropic și se spune că este „reversibil„. Fictiv, în cazul în care procesul este inversat, energia adăugată ca lucru mecanic poate fi recuperată în totalitate ca lucru mecanic efectuat de sistem. Dacă sistemul conține un gaz compresibil și este redus în volum, incertitudinea poziției gazului este redusă și aparent ar reduce entropia sistemului, dar temperatura sistemului va crește, deoarece procesul este izentropic (ΔS = 0). Dacă lucrul mecanic este adăugat în așa fel încât forțele de frecare sau vâscoase să funcționeze în sistem, atunci procesul nu este izentropic și dacă nu există schimbări de fază, atunci temperatura sistemului va crește, procesul se spune că este „ireversibil„, iar lucrul mecanic adăugat la sistem nu este în întregime recuperabil sub formă de lucru mecanic.
- Dacă pereții unui sistem nu sunt adiabatici și energia este transferată sub formă de căldură, entropia este transferată în sistem cu căldură. Un astfel de proces nu este nici adiabatic, nici isentropic, având Q > 0 și ΔS > 0 în conformitate cu a doua lege a termodinamicii.
Procesele adiabatice care apar în mod natural sunt ireversibile (se produce entropia).
Transferul de energie ca lucru mecanic într-un sistem izolat adiabatic poate fi imaginat ca fiind de două tipuri extreme idealizate. Într-un astfel de tip, nu există nicio entropie produsă în sistem (fără frecare, disipare vâscoasă etc.), iar lucrul mecanic este doar un lucru mecanic presiune-volum (desemnată prin P dV). În natură, acest tip ideal apare doar aproximativ, deoarece necesită un proces infinit de lent și fără surse de disipare.
Celălalt tip de lucru mecanic extrem este lucrul mecanic izocor (dV = 0), pentru care se adaugă energie ca lucru mecanic numai prin frecare sau disipare vâscoasă în sistem. Un agitator care transferă energia către un fluid vâscos dintr-un sistem izolat adiabatic, cu pereți rigizi, fără schimbare de fază, va determina o creștere a temperaturii fluidului, dar acest lucru mecanic nu este recuperabil. Lucrul mecanic isocor este ireversibil. Cea de-a doua lege a termodinamicii observă că un proces natural, de transfer al energiei ca lucru mecanic, constă întotdeauna cel puțin din lucru mecanic izocor și deseori de ambele tipuri extreme de lucru mecanic. Fiecare proces natural, adiabatic sau nu, este ireversibil, cu ΔS > 0, deoarece frecarea sau vâscozitatea sunt întotdeauna prezente într-o oarecare măsură.
Încălzirea și răcirea adiabatică
Compresia adiabatică a unui gaz cauzează o creștere a temperaturii gazului. Extinderea adiabatică împotriva presiunii sau a unui arc provoacă o scădere a temperaturii. Dimpotrivă, extinderea liberă este un proces izotermic pentru un gaz ideal.
Încălzirea adiabatică apare atunci când presiunea unui gaz este mărită de la lucrul mecanic efectuat de către împrejurimi, de exemplu un piston care comprimă un gaz conținut într-un cilindru și crește temperatura, unde în multe situații practice conducția de căldură prin pereți poate fi lentă în comparație cu timpul de compresie. Aceasta constă în aplicații practice la motoarele diesel care se bazează pe lipsa de disipare a căldurii în timpul cursei de compresie pentru a ridica suficient temperatura vaporilor de combustibil pentru a o aprinde.
Încălzirea adiabatică are loc în atmosfera Pământului atunci când o masă de aer coboară, de exemplu, într-un vânt catabatic, vânt Foehn sau vânt chinook care coboară în jos pe un munte. Când o parcelă de aer coboară, presiunea pe parcelă crește. Datorită acestei creșteri a presiunii, volumul parcelei scade, iar temperatura crește pe măsură ce se efectuează lucru mecanic pe parcela de aer, crescând astfel energia sa internă, ceea ce se manifestă printr-o creștere a temperaturii acelei mase de aer. Parcela de aer poate disipa puternic energia doar prin conducție sau radiație (căldură), iar la o primă aproximare poate fi considerată izolată adiabatic și procesul este un proces adiabatic.
Răcirea adiabatică apare atunci când presiunea exercitată asupra unui sistem izolat adiabatic este scăzută, permițându-i să se extindă, ceea ce o determină să efetueze lucru mecanic în împrejurimile sale. Când presiunea aplicată pe o parcelă de aer este redusă, aerul din parcelă este lăsat să se extindă; pe măsură ce crește volumul, temperatura scade odată cu scăderea energiei interne. Răcirea adiabatică are loc în atmosfera Pământului cu ridicare orografică și unde lee, putând forma nori pileu sau lenticulari.
Răcirea adiabatică nu trebuie să implice un fluid. O tehnică folosită pentru a atinge temperaturi foarte scăzute (miimi și chiar milionimi de unități peste zero) este prin demagnetizarea adiabatică, unde schimbarea câmpului magnetic pe un material magnetic este utilizată pentru a asigura răcirea adiabatică. De asemenea, conținutul unui univers în expansiune poate fi descris (la primul ordin) ca un fluid de răcire adiabatic.
Magma în creștere, de asemenea, suferă răcire adiabatică înainte de erupție, deosebit de semnificativă în cazul magmelor care se ridică repede de la adâncimi mari cum ar fi kimberliții.
Astfel de schimbări de temperatură pot fi cuantificate folosind legea ideală a gazului sau ecuația hidrostatică pentru procesele atmosferice.
În practică, nici un proces nu este cu adevărat adiabatic. Multe procese se bazează pe o mare diferență în scala de timp a procesului de interes și rata de disipare a căldurii într-o limită a sistemului, și astfel sunt aproximate prin utilizarea unei ipoteze adiabatice. Există întotdeauna unele pierderi de căldură, deoarece nu există izolatoare perfecte.
Lasă un răspuns