Адіабатичний процес

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Адіаба́тний проце́с (грец. αδιαβατος — неперехідний) — в термодинаміці зміна стану тіла без обміну теплом з навколишнім середовищем. Його можна здійснити, проводячи стискання чи розширення тіла (наприклад, газу) дуже швидко.

Так, при поширенні звукових хвиль у повітрі чи іншому тілі, у місцях згущення частинок температура підвищується, а в місцях розрідження — знижується. За дуже малий період коливання не відбувається помітного обміну теплом між місцями згущення і розрідження.

Під час адіабатного стискування тіла внутрішня енергія його збільшується, а при адіабатичному розширенні — зменшується. Виконана робота при цьому дорівнює за величиною і протилежна за знаком зміні внутрішньої енергії системи.

Адіабатичні процеси в атмосфері[ред.ред. код]

Адіабатичне розширення потоку нагрітого повітря і ненасиченої пари з нижніх до верхніх шарів атмосфери є основною причиною зниження потоку, конденсації водяної пари та утворення хмар. При опусканні повітряних мас відбувається зворотний адіабатичний процес, внаслідок якого температура підвищується. На адіабатичне нагрівання й охолодження повітря в атмосфері накладаються ще й теплові ефекти, спричинювані тепловим випромінюванням, теплопровідністю, конвекцією, а також випаровуванням та конденсацією. В сухому та ненасиченому повітрі зниження чи підвищення температури на кожні 100 м дорівнює 1,0 °C. У повітрі, насиченому водяною парою — приблизно 0,5 °C.

Формули[ред.ред. код]

При адіабатичному розширенні внутрішня енергія робочого тіла повинна зменшуватись

Математично адіабатичний процес описується рівнянням

де p — тиск, V — об'єм,  — показник адіабати,

 — молярна теплоємність за умов постійного тиску, а  — молярна теплоємність за умов постійного об'єму. Для одноатомного ідеального газу, , а для двоатомного (таких як азот або кисень, головних складових повітря) . Ця формула може бути застосована лише для класичних газів.

Для адіабатичного процесу теплообмін з навколишнім середовищем відсутній, тобто кількість теплоти . Тоді, відповідно до першого закону термодинаміки,

де E — внутрішня енергія системи, а W — робота, що виконується самою системою. Будь-яка робота (W) здійснюється за рахунок витрат внутрішньої енергії E, адже надходження теплоти ззовні немає. Робота W, що виконується системою визначається як

Однак p не залишається константою в адіабатичному процесі, а змінюється разом з V.

Бажано знати, як величини та співвідносяться між собою в адіабатичному процесі. Припустимо тепер, що в нас є одноатомний газ, тоді

де R — універсальна газова стала.

Нехай задані та , тоді та

Тепер підставимо (2) та (3) в рівняння (1) та отримаємо:

спрощуючи,

Розділимо обидві частини на pV,

З диференціального числення відомо, що

що може бути записано як

для визначених констант та первісного стану. Далі

Після зведення у ступінь обох частин,

та позбавлення від мінуса,

тоді

та

Графіки адіабат[ред.ред. код]

Ізотерми — червоні лінії, адіабати — чорні. Абсциса — вісь V, ордината — вісь p

Властивості адіабат на p-V-діаграмах такі:
(1) кожна адіабата асимптотично досягає як осі V, так і осі p (як і ізотерми).
(2) кожна адіабата перехрещується з кожною ізотермою тільки в одній точці.
(3) адіабата виглядає схожою на ізотерму, за винятком того, що при адіабатичному розширенні втрачається більше тиску ніж при ізотермічному, тому вона має більший ухил (більш «вертикальна»).
(4) якщо ізотерми увігнуті «північно-східному» напрямку (45 &deg), то адіабати увігнуті у «схід-північно-східному» (31 &deg).

На рисунку зображено p-V-діаграму з суперпозицією адіабат та ізотерм.

Використання терміну «адіабатний»[ред.ред. код]

Термін використовується в різних значеннях, тому в кожному випадку потрібні уточнення.

  • 1. У термодинаміці адіабатний використовується в макроскопічному сенсі і стосується процесу, що відбувається в термічно ізольованій системі.
  • 2. У динаміці хімічних реакцій адіабатний використовується в мікроскопічному сенсі, що практично має мало спільного з його термодинамічним значенням. Тоді, коли в термодинамічному сенсі розуміють умови, які накладаються на

процес спостерігачем, мікроскопічний сенс стосується умов, при яких процес відбувається природно. При описі динаміки реакцій вважається, що квантовий стан залишається незмінним протягом усього шляху реакції. Тут можливі такі варіанти:

— реакція, в якій не відбувається зміни електронного стану або мультиплетності (називається адіабатною або електронно адіабатною);

— реакція, в якій не відбувається зміни коливального стану протягом її перебігу, зветься коливально адіабатною; менш строго цей вираз застосовується до процесів, в яких надлишок коливальної енергії в реактантах з'являється як коливальна енергія в продуктах або в яких основний коливальний стан у реактантах приводить до основного коливального стану в продуктах;

— реакція, в якій надлишок обертальної енергії в реактантах проявляється як обертальна енергія в продуктах, або в якій основний обертальний стан реактантів дає основний обертальний стан продуктів (називається обертально адіабатною);

— у теорії мономолекулярних реакцій Райса — Рамспергера — Касселя — Маркуса (РРКМ) ступінь свободи, квантове число якого зберігається сталим впродовж зростання енергії та наступної реакції (називають адіабатним, так називають тоді і саму реакцію).

  • 3. Реакція, яка не є адіабатною (називається неадіабатною чи діабатною).

Див. також[ред.ред. код]

Література[ред.ред. код]

  • Ландау Л. Д., Ахиезер А. И., Лифшиц Е. М. Курс общей физики: Механика. Молекулярная физика. — М.: Наука, 1965.
  • Глосарій термінів з хімії // Й. Опейда, О. Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Донецьк: Вебер, 2008. — 758 с. — ISBN 978-966-335-206-0