Procés adiabàtic

En termodinàmica es designa com a procés adiabàtic a aquell en el qual el sistema termodinàmic (generalment, un decorregut que realisa un treball) no intercanvia calor en el seu entorn. Un procés adiabàtic que és ademés reversible es coneix com procés isoentrópico. L'extrem opost, en el que té lloc la màxima transferència de calor, causant que la temperatura permaneixca constant, es denomina procés isotèrmic.

El terme adiabàtic fa referència a volums que impedixen la transferència de calor en l'entorn. Una paret aïllada s'aproxima prou a un llímit adiabàtic. Un atre eixemple és la temperatura adiabàtica de flama, que és la temperatura que podria alcançar una flama si no hi haguera pèrdua de calor cap a l'entorn. En climatisació els processos de humectación (aporte de vapor d'aigua) són adiabàtics, ya que no hi ha transferència de calor, a pesar de que es conseguixca variar la temperatura de l'aire i la seua humitat relativa.

El calfament i refredat adiabàtic són processos que comunament ocorren pel canvi en la pressió d'un gas, que comporta variacions en volum i temperatura. Els nous valors de les variables d'estat poden ser quantificats usant la llei dels gasos ideals.

D'acort en el primer principi de la termodinàmica,

___MATH_0___

a on O és l'energia interna del sistema i W és el treball realisat pel sistema. Qualsevol treball (W) realisat deu ser realisat a costa de l'energia O, mentres que no haja segut suministrat calor Q des de l'exterior. El treball W realisat per el sistema es definix com

___MATH_1___

Si es relaciona el tema del procés adiabàtic en les ones, es deu tindre en conte que el procés o caràcter adiabàtic solament es produïx en les ones llongitudinals

Descripció

Un procés sense transferència de calor cap a o des d'un sistema, de modo que Q = 0, es diu adiabàtic, i dit sistema es diu que està adiabáticamente aïllat. La suposició simplificadora que es fa en freqüència és que un procés és adiabàtic. Per eixemple, se supon que la compressió d'un gas dins d'un cilindre d'un motor ocorre tan ràpidament que, en l'escala de temps del procés de compressió, una menuda part de l'energia del sistema pot transferir-se en forma de calor a les afores. Encara que els cilindres no estan aïllats i són prou conductors, eixe procés es idealiza per a que siga adiabàtic. Lo mateix pot dir-se del procés d'expansió de dit sistema.

La suposició d'aïllament adiabàtic és útil i, a sovint, es combina en atres idealisacions similars per a calcular una bona primera aproximació del comportament d'un sistema. Per eixemple, segons Laplace, quan el sò viaja en un gas, no hi ha temps per a la conducció de calor en el mig, per lo que la propagació del sò és adiabàtica. Per a tal procés adiabàtic, el mòdul d'elasticitat (Mòdul de Young) es pot expressar com I = γP, a on γ és la relació de calors específiques a pressió constant i a volum constant (γ = Plantilla:Sfrac) i P és la pressió del gas.

Vàries aplicacions de la suposició adiabàtica

Per a un sistema tancat, es pot escriure la primera llei de la termodinàmica com ΔO = Q − W, a on ΔO denota el canvi de l'energia interna del sistema, Q la cantitat d'energia afegida en forma de calor, i W el treball realisat pel sistema sobre el seu entorn.

Si el sistema té parets tan rígides que el treball no pot transferir-se cap a dins o cap a fòra (W = 0), i les parets no són adiabaticas i s'agrega energia en forma de calor (Q > 0), i no hi ha canvi de fase, llavors la temperatura del sistema aumentarà. Si el sistema té parets tan rígides que no es pot realisar treball de pressió-volum, pero les parets són adiabàtiques (Q = 0), i l'energia s'agrega com a treball isocórico (volum constant) en forma de fricció o agitació d'un decorregut viscós dins del sistema (W < 0), i no hi ha canvi de fase, llavors la temperatura del sistema aumentarà. Si les parets del sistema són adiabàtiques (Q = 0) pero no rígides (W ≠ 0), i, en un procés idealizado fictici, s'agrega energia al sistema en forma de treball de pressió-volum no viscós i sense fricció (W < 0), i no hi ha canvi de fase, llavors la temperatura del sistema aumentarà. Tal procés es diu procés isoentrópico i es diu que és "reversible". Idealment, si s'invertira el procés, l'energia podria recuperar-se per complet com a treball realisat pel sistema. Si el sistema conté un gas comprimible i el seu volum es reduïx, l'incertitut de la posició del gas es reduïx i aparentment reduiria la entropía del sistema, pero la temperatura del sistema aumentarà ya que el procés és isoentrópico (ΔS = 0). Si el treball s'agrega de tal manera que la fricció o les forces viscoses estan operant dins del sistema, llavors el procés no és isoentrópico, i si no hi ha un canvi de fase, llavors la temperatura del sistema aumentarà, es diu que el procés és "irreversible", i el treball agregat al sistema no és completament recuperable en forma de treball. Si les parets d'un sistema no són adiabàtiques i l'energia es transferix en forma de calor, la entropía es transferix al sistema en la calor. Tal processe no és ni adiabàtic ni isentrópico, tenint Q > 0, i ΔS > 0 segons la segona llei de la termodinàmica.

Els processos adiabàtics naturals són irreversibles (es produïx entropía).

La transferència d'energia com a treball en un sistema adiabáticamente aïllat es pot imaginar com dos tipos extrems idealizados. En un d'estos tipos, no es produïx entropía dins del sistema (sense fricció, malbarat viscós, etc.), i el treball és sol treball de pressió-volum (indicat per P dV). En la naturalea, este tipo ideal ocorre solament aproximadament perque exigix un procés infinitament llent i sense fonts de malbarat.

L'atre tipo de treball extrem és el treball isocórico. (dV = 0), per al qual l'energia s'agrega com a treball únicament a través de la fricció o el malbarat viscós dins del sistema. Un agitador que transferix energia a un decorregut viscós d'un sistema aïllat adiabáticamente en parets rígides, sense canvi de fase, provocarà un aument de temperatura del decorregut, pero eixe treball no és recuperable. El treball isocórico és irreversible. La segona llei de la termodinàmica observa que un procés natural, de transferència d'energia com a treball, sempre consta a lo manco de treball isocórico i, a sovint, d'estos dos tipos extrems de treball. Tot procés natural, adiabàtic o no, és irreversible, en ΔS > 0, ya que la fricció o la viscosidad sempre estan presents fins a cert punt.

Calfament i refredat adiabàtics

La compressió adiabàtica d'un gas provoca un aument de la temperatura del gas. L'expansió adiabàtica contra la pressió, o un resort, provoca un descens de la temperatura. En canvi, l'expansió lliure és un procés isotèrmic per a un gas ideal.

El calfament adiabàtic es produïx quan la pressió d'un gas aumenta pel treball realisat sobre ell pel seu entorn, per eixemple, un pistón comprimint un gas contingut dins d'un cilindre i aumentant la temperatura a on en moltes situacions pràctiques la conducció de calor a través de les parets pot ser llenta comparada en el temps de compressió. Açò troba aplicació pràctica en motors diésel que depenen de la falta de malbarat de calor durant la carrera de compressió per a elevar la temperatura del vapor de combustible lo suficient com per a encendre-ho.

El calfament adiabàtic es produïx en l'atmòsfera terrestre quan una massa d'aire descendix, per eixemple, en un vent catabàtic, vent foehn o vent Chinook que fluïx costera avall sobre una cordillera. Quan un paquet d'aire descendix, aumenta la seua pressió. Per este aument de pressió, el volum de la parcela disminuïx i la seua temperatura aumenta, ya que es realisa treball sobre la parcela d'aire, aumentant aixina la seua energia interna, que es manifesta per un aument de la temperatura d'eixa massa d'aire. El paquet d'aire només pot dissipar llentament l'energia per conducció o radiació (calor), i en una primera aproximació pot considerar-se aïllat adiabáticamente i el procés un procés adiabàtic.

El refredat adiabàtic es produïx quan la pressió sobre un sistema aïllat adiabáticamente disminuïx, lo que li permet expandir-se i, per tant, realisar un treball sobre el seu entorn. Quan es reduïx la pressió aplicada sobre un paquet de gas, es permet que el gas del paquet s'expandixca; a mida que aumenta el volum, la temperatura descendix en disminuir la seua energia interna. El refredat adiabàtic es produïx en l'atmòsfera terrestre en l'elevació orogràfica i les ones de sotavent, i açò pot formar pileus o núvols lenticulares.

Degut en part al refredat adiabàtic en zones montanyoses, en algunes parts del desert del Sàhara es produïxen nevades en poca freqüència.

El refredat adiabàtic no té per qué implicar un decorregut. Una tècnica utilisada per a alcançar temperatures molt baixes (milèsimes i inclús millonèsimes de grau per damunt del zero absolut) és a través de la desmagnetización adiabàtica, a on el canvi de camp magnètic en un material magnètic s'utilisa per a proporcionar refredat adiabàtic. Ademés, el contingut d'un univers en expansió pot descriure's (en primer orde) com un decorregut que es gela adiabáticamente. (Vore Mort tèrmica de l'univers).

El magma ascendent també experimenta un refredat adiabàtic abans de l'erupció, particularment significatiu en el cas de magma que ascendixen ràpidament des de grans profunditats com les kimberlitas.

En el mant convectivo de la Terra (l'astenosfera) baixe la litosfera, la temperatura del mant és aproximadament adiabàtica. El llauger descens de la temperatura en la profunditat es deu a la disminució de la pressió quant més superficial és el material en la Terra.

Tals canvis de temperatura poden quantificar-se utilisant la llei dels gasos ideals, o l' equació hidrostàtica per a processos atmosfèrics.

En la pràctica, cap procés és realment adiabàtic. Molts processos es basen en una gran diferència en les escales de temps del procés d'interés i la taxa de malbarat de calor a través d'un llímit del sistema, i per lo tant s'aproximen per mig de l'us d'una suposició adiabàtica. Sempre hi ha alguna pèrdua de calor, ya que no existixen aïllants perfectes.