Wissenschaft

Thermodynamik: Definition des adiabatischen Prozesses

In der Physik ist ein adiabatischer Prozess ein thermodynamischer Prozess, bei dem keine Wärmeübertragung  in oder aus einem System stattfindet und der im Allgemeinen dadurch erreicht wird, dass das gesamte System mit einem stark isolierenden Material umgeben wird oder der Prozess so schnell ausgeführt wird, dass keine Zeit bleibt für eine signifikante Wärmeübertragung stattfinden.

Wenn wir den ersten Hauptsatz der Thermodynamik auf einen adiabatischen Prozess anwenden, erhalten wir:

Delta-Da Delta- U die Änderung der inneren Energie und W die vom System geleistete Arbeit ist, sehen wir die folgenden möglichen Ergebnisse. Ein System, das sich unter adiabatischen Bedingungen ausdehnt, leistet positive Arbeit, sodass die innere Energie abnimmt, und ein System, das sich unter adiabatischen Bedingungen zusammenzieht, leistet negative Arbeit, sodass die innere Energie zunimmt.

Die Kompressions- und Expansionshübe in einem Verbrennungsmotor sind beide annähernd adiabatische Prozesse – die geringe Wärmeübertragung außerhalb des Systems ist vernachlässigbar und praktisch die gesamte Energieänderung fließt in die Bewegung des Kolbens.

Adiabatische und Temperaturschwankungen in Gas

Wenn Gas durch adiabatische Prozesse komprimiert wird, steigt die Temperatur des Gases durch einen Prozess an, der als adiabatisches Erhitzen bekannt ist. Die Expansion durch adiabatische Prozesse gegen eine Feder oder einen Druck verursacht jedoch einen Temperaturabfall durch einen Prozess, der als adiabatische Kühlung bezeichnet wird.

Adiabatische Erwärmung tritt auf, wenn Gas durch die Arbeit seiner Umgebung wie die Kolbenkompression im Kraftstoffzylinder eines Dieselmotors unter Druck gesetzt wird. Dies kann auch auf natürliche Weise geschehen, wenn Luftmassen in der Erdatmosphäre auf eine Oberfläche wie einen Hang eines Gebirges drücken und die Temperaturen aufgrund der Arbeit an der Luftmasse steigen, um ihr Volumen gegenüber der Landmasse zu verringern.

Adiabatische Kühlung tritt dagegen auf, wenn isolierte Systeme expandieren, wodurch sie gezwungen werden, an ihren umgebenden Bereichen zu arbeiten. Wenn im Beispiel des Luftstroms diese Luftmasse durch einen Auftrieb in einem Windstrom drucklos gemacht wird, kann sich ihr Volumen wieder ausbreiten, wodurch die Temperatur verringert wird.

Zeitskalen und der adiabatische Prozess

Obwohl die Theorie des adiabatischen Prozesses bei Beobachtung über lange Zeiträume Bestand hat, machen kleinere Zeitskalen die Adiabatik bei mechanischen Prozessen unmöglich – da es keine perfekten Isolatoren für isolierte Systeme gibt, geht bei der Arbeit immer Wärme verloren.

Im Allgemeinen wird angenommen, dass adiabatische Prozesse solche sind, bei denen das Nettoergebnis der Temperatur nicht beeinflusst wird, obwohl dies nicht unbedingt bedeutet, dass während des gesamten Prozesses keine Wärme übertragen wird. Kleinere Zeitskalen können die winzige Wärmeübertragung über die Systemgrenzen hinweg anzeigen, die sich letztendlich im Laufe der Arbeit ausgleichen.

Faktoren wie der interessierende Prozess, die Wärmeableitungsrate, der Arbeitsausfall und die durch unvollständige Isolierung verlorene Wärmemenge können das Ergebnis der Wärmeübertragung im Gesamtprozess beeinflussen, und aus diesem Grund die Annahme, dass a Der adiabatische Prozess beruht auf der Beobachtung des gesamten Wärmeübertragungsprozesses anstelle seiner kleineren Teile.

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