Co to jest adiabatyczność?

Układ lub proces adiabatyczny to taki, w którym nie zachodzi zmiana netto energii cieplnej. Procesy adiabatyczne są związane z pierwszym prawem termodynamiki. Prawo to mówi, że kiedy energia cieplna jest umieszczona w układzie, to albo zmieni energię wewnętrzną układu, albo wykona pracę. Jest to związane z prawem zachowania energii, które mówi, że materia i energia nie mogą być tworzone ani niszczone. W kontekście termodynamiki, energia cieplna w układzie musi coś zrobić. Albo zmieni energię wewnętrzną układu, albo wykona pracę, albo jakąś kombinację obu. Nie może po prostu zniknąć.

W układzie adiabatycznym ciśnienie, objętość i temperatura zmieniają się w taki sposób, że energia cieplna pozostaje stała. Procesy adiabatyczne są najbardziej widoczne w gazach. Adiabatyczne ogrzewanie w gazie spowoduje wzrost temperatury w miarę wzrostu ciśnienia na gazie. Jeśli ciśnienie w gazie zmniejszy się, spowoduje to spadek temperatury, co spowoduje adiabatyczne chłodzenie. Przy ogrzewaniu adiabatycznym gaz zostanie sprężony, a tym samym zostanie wykonana praca nad gazem przez otoczenie. W przypadku wystąpienia chłodzenia adiabatycznego spowoduje to rozprężenie gazu i wykonanie przez gaz pracy na rzecz otoczenia.

Przykładem, w którym procesy adiabatyczne są istotne, jest kontekst tłoka, np. tłoka w silniku Diesla. Wraz ze wzrostem ciśnienia w tłoku, gaz będzie się kurczył. Przy dekompresji gaz ponownie się rozszerzy, poruszając tłok. Jest to kontrolowane przez procesy adiabatyczne.

Procesy adiabatyczne są ważne w meteorologii. Jeśli paczka powietrza wzniesie się, to ciśnienie na nią spadnie, a to spowoduje obniżenie temperatury powietrza w wyniku chłodzenia adiabatycznego. Z drugiej strony, jeśli paczka powietrza zostanie przyciśnięta do ziemi, spowoduje to wzrost ciśnienia na paczce powietrza, co spowoduje jej ogrzanie. Ponieważ ciśnienie powietrza maleje wraz z wysokością, temperatura będzie się zmniejszać wraz z wysokością w atmosferze. Szybkość, z jaką temperatura maleje wraz ze wzrostem wysokości, jest znana jako współczynnik zapadania adiabatycznego.

Co to jest izoterma?

Proces izotermiczny to taki, w którym temperatura pozostaje stała, nawet jeśli zmienia się ciśnienie i objętość. W termodynamice, ciśnienie, temperatura i objętość są powiązane przez prawo gazowe Boyle’a. Jeśli jedno z nich jest utrzymywane na stałym poziomie, pozostałe pozostają niezmienione. Jeśli jedno z nich jest utrzymywane na stałym poziomie, pozostałe będą się zmieniać proporcjonalnie do siebie. Jeśli temperatura gazu jest utrzymywana na stałym poziomie, ciśnienie i objętość gazu będą odwrotnie proporcjonalne.

Przykładem procesu izotermicznego jest zmiana fazy. Kiedy substancja, taka jak woda, osiąga temperaturę topnienia lub wrzenia, ciśnienie i temperatura pozostają stałe, ponieważ zmienia się faza, objętość i energia cieplna.

Procesy izotermiczne stanowią podstawę silników cieplnych, które są wykorzystywane w elektrowniach, samochodach, samolotach, rakietach i innych maszynach ważnych dla współczesnej cywilizacji. Procesy izotermiczne są również ważne w biologii, geologii, kosmologii, naukach planetarnych i wielu innych dziedzinach.

Co to jest izobaryczność?

W procesie izobarycznym ciśnienie w układzie pozostaje stałe. W warunkach izobarycznych objętość i temperatura są ze sobą bezpośrednio powiązane. Jeśli temperatura wzrasta, objętość również. Można to zobrazować umieszczając balonik w zamrażarce. Ciśnienie zarówno wewnątrz balonu, jak i na zewnątrz pozostanie stałe, ale balon zacznie zmniejszać swoją objętość w miarę schładzania.

Innym przykładem jest ważony tłok, który jest poruszany przez podgrzany gaz w cylindrze. Gdy gaz jest podgrzewany, jego temperatura wzrasta, a gaz rozszerza się, naciskając na tłok. Gdyby tłok był nieruchomy i nie mógł się poruszać, ciśnienie w gazie wzrastałoby zamiast rozszerzania się gazu i układ nie byłby izobaryczny.

Procesy izobaryczne są ważne w budowie silników cieplnych, ponieważ niektóre silniki cieplne polegają na procesach izobarycznych w celu przekształcenia energii cieplnej w energię mechaniczną.

Podobieństwa między procesami adiabatycznymi a izotermicznymi a izobarycznymi

Procesy adiabatyczne, izotermiczne i izobaryczne są związane z ciśnieniem, temperaturą i objętością. Są one również najlepiej zilustrowane za pomocą gazów. Wszystkie trzy rodzaje procesów są również najbardziej istotne w atmosferach planetarnych.

Różnice między adiabatycznymi a izotermicznymi a izobarycznymi

Chociaż procesy te wykazują podobieństwa, to mają również istotne różnice. Należą do nich następujące.

• Temperatura gazu będzie maleć w miarę rozprężania się gazu w układzie adiabatycznym, natomiast temperatura pozostanie stała w miarę rozprężania się gazu w układzie izotermicznym i będzie rosnąć w miarę rozprężania się gazu w układzie izobarycznym.
• W układzie adiabatycznym lub izotermicznym objętość gazu jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury, natomiast w układzie izobarycznym jest wprost proporcjonalna do temperatury.
• Ciśnienie gazu jest odwrotnie proporcjonalne do objętości w układzie izotermicznym, natomiast nie zmienia się w układzie izobarycznym, a ciśnienie gazu jest odwrotnie proporcjonalne do objętości w układzie adiabatycznym.
• Ciepło nie zmienia się w układzie adiabatycznym, natomiast zmienia się w układzie izotermicznym lub izobarycznym.

Adiabatyczny vs. izotermiczny vs. izobaryczny

Podsumowanie

W układzie adiabatycznym nie występuje zmiana netto ciepła. Gdy gaz się rozszerza, temperatura spada, co prowadzi do adiabatycznego chłodzenia. Jeśli gaz jest sprężany, temperatura wzrośnie, co prowadzi do ogrzewania adiabatycznego. Procesy adiabatyczne są ważne w nauce o atmosferze. W procesie izotermicznym temperatura jest stała, a ciśnienie i objętość są ze sobą odwrotnie związane. Przykładem procesu izotermicznego jest zmiana fazy. Podczas zmiany fazy temperatura substancji nie zmieni się, mimo że zmieni się jej ciepło i objętość. W układzie izobarycznym ciśnienie pozostaje stałe, a objętość będzie rosła lub malała wraz z temperaturą. Jeśli na przykład objętość gazu zostanie umieszczona w zamrażarce, to objętość gazu zmniejszy się, ponieważ ciśnienie jest stałe, podczas gdy jego temperatura spada.