Thermodynamica is een tak van de fysica die processen bestudeert waarmee warmte-energie van vorm kan veranderen. Vaak worden ideale gassen specifiek bestudeerd omdat ze niet alleen veel eenvoudiger te begrijpen zijn, maar dat veel gassen als ideaal kunnen worden benaderd.

Een bepaalde thermodynamische toestand wordt bepaald door toestandsvariabelen. Deze omvatten druk, volume en temperatuur. Door de processen te bestuderen waarmee een thermodynamisch systeem van de ene naar de andere toestand verandert, kunt u een beter inzicht krijgen in de onderliggende fysica.

Verschillende geïdealiseerde thermodynamische processen beschrijven hoe toestanden van een ideaal gas verandering kunnen ondergaan. Het adiabatische proces is slechts een van deze.
Statusvariabelen, statusfuncties en procesfuncties

De toestand van een ideaal gas op een bepaald tijdstip kan worden beschreven door de statusvariabelen druk, volume en temperatuur . Deze drie hoeveelheden zijn voldoende om de huidige toestand van het gas te bepalen en zijn helemaal niet afhankelijk van hoe het gas zijn huidige toestand heeft verkregen.

Andere hoeveelheden, zoals interne energie en entropie, zijn functies van deze toestandsvariabelen. . Nogmaals, de statusfuncties zijn ook niet afhankelijk van hoe het systeem in zijn specifieke staat is gekomen. Ze zijn alleen afhankelijk van de variabelen die de status beschrijven waarin deze zich momenteel bevindt.

Procesfuncties beschrijven daarentegen een proces. Warmte en werk zijn procesfuncties in een thermodynamisch systeem. Warmte wordt alleen uitgewisseld tijdens een verandering van de ene toestand naar de andere, net zoals werk alleen kan worden gedaan als het systeem van status verandert.
Wat is een adiabatisch proces?

Een adiabatisch proces is een thermodynamisch proces dat plaatsvindt zonder warmteoverdracht tussen het systeem en zijn omgeving. Met andere woorden, de status verandert, tijdens deze wijziging kan aan of door het systeem worden gewerkt, maar er wordt geen warmte-energie toegevoegd of verwijderd.

Aangezien er geen fysiek proces direct kan gebeuren en geen systeem echt perfect kan zijn geïsoleerd, een perfect adiabatische toestand kan in de realiteit nooit worden bereikt. Het kan echter worden geschat, en veel kan worden geleerd door het te bestuderen.

Hoe sneller een proces plaatsvindt, hoe dichter het bij adiabatisch kan zijn, want hoe minder tijd er is voor een warmteoverdracht. > Adiabatische processen en de eerste wet van de thermodynamica

De eerste wet van de thermodynamica stelt dat de verandering in interne energie van een systeem gelijk is aan het verschil tussen de warmte die aan het systeem wordt toegevoegd en het werk dat door het systeem wordt gedaan. In vergelijkingsvorm is dit:
\\ Delta E \u003d QW

Waar E
de interne energie is, is Q
de warmte die aan het systeem is toegevoegd en W
is het werk dat door het systeem wordt gedaan.

Aangezien er geen warmte wordt uitgewisseld in een adiabatisch proces, moet het geval zijn dat:
\\ Delta E \u003d -W

In andere woorden, als energie het systeem verlaat, is dit het resultaat van het systeem dat werkt en als energie het systeem binnendringt, komt dit rechtstreeks voort uit werk dat op het systeem is gedaan.
Adiabatische uitbreiding en compressie

Wanneer een systeem zet adiabatisch uit, volume neemt toe terwijl er geen warmte wordt uitgewisseld. Deze toename van het volume vormt werk dat door het systeem aan het milieu wordt gedaan. Daarom moet de interne energie afnemen. Omdat interne energie recht evenredig is met de temperatuur van het gas, betekent dit dat de temperatuurverandering negatief zal zijn (de temperatuur daalt).

Uit de ideale gaswet kunt u de volgende uitdrukking voor druk krijgen:
P \u003d \\ frac {nRT} {V}

Waar n
het aantal mol is, is R
de ideale gasconstante, T
is temperatuur en V
is volume.

Voor adiabatische expansie gaat de temperatuur omlaag terwijl het volume omhoog gaat. Dit betekent dat de druk ook moet dalen, omdat in de bovenstaande uitdrukking de teller zou afnemen terwijl de noemer zou toenemen.

Bij adiabatische compressie gebeurt het omgekeerde. Aangezien een afname in volume aangeeft dat er door de omgeving aan het systeem wordt gewerkt, zou dit een positieve verandering in interne energie opleveren die overeenkomt met een temperatuurstijging (hogere eindtemperatuur).

Als de temperatuur stijgt terwijl het volume afneemt , dan neemt ook de druk toe.

Een voorbeeld dat een ongeveer adiabatisch proces illustreert dat vaak wordt getoond in natuurkundecursussen is de bediening van een vuurspuit. Een brandspuit bestaat uit een geïsoleerde buis die aan het ene uiteinde is gesloten en aan het andere uiteinde een plunjer bevat. De plunjer kan naar beneden worden geduwd om de lucht in de buis samen te persen.

Als een klein stukje katoen of ander brandbaar materiaal in de buis bij kamertemperatuur wordt geplaatst, en vervolgens wordt de zuiger zeer snel naar beneden geduwd, de de toestand van het gas in de buis zal veranderen met minimale warmte-uitwisseling met de buitenkant. De verhoogde druk in de buis die optreedt bij compressie zorgt ervoor dat de temperatuur in de buis dramatisch stijgt, genoeg zodat het kleine stukje katoen verbrandt.
PV-diagrammen

Een druk-volume
(PV) diagram is een grafiek die de statusverandering van een thermodynamisch systeem weergeeft. In een dergelijk diagram wordt het volume uitgezet op de x
-as en de druk wordt uitgezet op de y
-as. Een status wordt aangegeven door een ( x, y
) punt dat overeenkomt met een bepaalde druk en volume. (Opmerking: temperatuur kan worden bepaald op basis van druk en volume met behulp van de ideale gaswet).

Terwijl de toestand verandert van een bepaalde druk en volume naar een andere druk en volume, kan een curve in het diagram worden getekend die aangeeft hoe de statusverandering heeft plaatsgevonden. Een isobaar proces (waarbij de druk constant blijft) ziet er bijvoorbeeld uit als een horizontale lijn op een P-V-diagram. Andere curven kunnen worden getekend die het begin- en eindpunt verbinden en zouden bijgevolg verschillende hoeveelheden werk tot gevolg hebben. Daarom is de vorm van het pad in het diagram relevant.

Een adiabatisch proces wordt weergegeven als een curve die de relatie gehoorzaamt:
P \\ propto \\ frac {1} {V ^ c}

Waar c
de verhouding is van specifieke heats c _{p /c v ( c p
is de soortelijke warmte van het gas voor constante druk, en c v
is de soortelijke warmte voor constant volume). Voor een ideaal monatomisch gas, c
\u003d 1,66, en voor lucht, dat voornamelijk een diatomisch gas is, c
\u003d 1.4
Adiabatische processen in warmtemotoren}

Warmtemotoren zijn motoren die warmte-energie omzetten in mechanische energie via een complete cyclus van een soort. Op een PV-diagram vormt een cyclus van een warmtemotor een gesloten lus, waarbij de toestand van de motor eindigt waar deze is gestart, maar bezig is om daar te komen.

Veel processen werken slechts in één richting ; omkeerbare processen werken echter even goed vooruit en achteruit zonder de natuurwetten te overtreden. Een adiabatisch proces is een soort omkeerbaar proces. Dit maakt het bijzonder nuttig in een warmtemotor, omdat het betekent dat het geen energie omzet in een onherstelbare vorm. de cyclus.
Andere thermodynamische processen

Andere thermodynamische processen die in andere artikelen in meer detail worden besproken, omvatten:

Isobarische processen, die plaatsvinden bij constante druk. Deze zien eruit als horizontale lijnen op een P-V-diagram. Werk dat isobarisch is uitgevoerd, is gelijk aan de constante drukwaarde vermenigvuldigd met de volumeverandering.

Isochorisch proces, dat plaatsvindt bij een constant volume. Deze zien eruit als verticale lijnen op een P-V-diagram. Omdat het volume tijdens deze processen niet verandert, wordt er geen werk gedaan.

Isotherme processen vinden plaats bij constante temperatuur. Net als adiabatische processen zijn deze omkeerbaar. Wil een proces echter perfect isotherm zijn, dan moet het een constant evenwicht behouden, wat zou betekenen dat het oneindig langzaam zou moeten gebeuren, in tegenstelling tot de onmiddellijke behoefte aan een adiabatisch proces.