La termodinamica è una branca della fisica che studia i processi attraverso i quali l'energia termica può cambiare forma. Spesso i gas ideali vengono studiati specificamente perché, non solo sono molto più semplici da comprendere, ma molti gas possono essere approssimati come ideali.

Un particolare stato termodinamico è definito da variabili di stato. Questi includono pressione, volume e temperatura. Studiando i processi attraverso i quali un sistema termodinamico cambia da uno stato a un altro, è possibile ottenere una comprensione più profonda della fisica sottostante.

Diversi processi termodinamici idealizzati descrivono come gli stati di un gas ideale possono subire cambiamenti. Il processo adiabatico è solo uno di questi.
Variabili di stato, funzioni di stato e funzioni di processo

Lo stato di un gas ideale in qualsiasi momento può essere descritto dalle variabili di stato pressione, volume e temperatura . Queste tre quantità sono sufficienti per determinare le condizioni attuali del gas e non dipendono affatto da come il gas ha ottenuto il suo stato attuale.

Altre quantità, come l'energia interna e l'entropia, sono funzioni di queste variabili di stato . Anche in questo caso, le funzioni di stato non dipendono nemmeno da come il sistema sia entrato nel suo stato particolare. Dipendono solo dalle variabili che descrivono lo stato in cui si trova attualmente.

Le funzioni di processo, d'altra parte, descrivono un processo. Il calore e il lavoro sono funzioni di processo in un sistema termodinamico. Il calore viene scambiato solo durante un passaggio da uno stato a un altro, così come il lavoro può essere fatto solo quando il sistema cambia stato.
Che cos'è un processo adiabatico?

Un processo adiabatico è un processo termodinamico che si verifica senza trasferimento di calore tra il sistema e il suo ambiente. In altre parole, lo stato cambia, il lavoro può essere svolto sul o dal sistema durante questo cambiamento, ma nessuna energia termica viene aggiunta o rimossa.

Poiché nessun processo fisico può avvenire istantaneamente e nessun sistema può davvero essere perfettamente perfetto isolata, una condizione perfettamente adiabatica non può mai essere raggiunta nella realtà. Tuttavia, può essere approssimato, e molto può essere appreso studiandolo.

Più velocemente si verifica un processo, più può essere adiabatico più vicino perché meno tempo ci sarà per un trasferimento di calore.
Processi adiabatici e la prima legge della termodinamica

La prima legge della termodinamica afferma che il cambiamento di energia interna di un sistema è uguale alla differenza del calore aggiunto al sistema e al lavoro svolto dal sistema. In forma di equazione, questo è:
\\ Delta E \u003d QW

Dove E
è l'energia interna, Q
è il calore aggiunto al sistema e W
è il lavoro svolto dal sistema.

Poiché non vi è scambio di calore in un processo adiabatico, allora deve essere il caso:
\\ Delta E \u003d -W

In altri parole, se l'energia lascia il sistema, è il risultato del lavoro del sistema, e se l'energia entra nel sistema, risulta direttamente dal lavoro svolto sul sistema.
Espansione e compressione adiabatica

Quando un il sistema si espande in modo adiabatico, il volume aumenta mentre non viene scambiato calore. Questo aumento di volume costituisce il lavoro svolto dal sistema sull'ambiente. Quindi l'energia interna deve diminuire. Poiché l'energia interna è direttamente proporzionale alla temperatura del gas, ciò significa che il cambiamento di temperatura sarà negativo (la temperatura scende).

Dalla legge del gas ideale, è possibile ottenere la seguente espressione per la pressione:
P \u003d \\ frac {nRT} {V}

Dove n
è il numero di moli, R
è la costante di gas ideale, T
è temperatura e V
è volume.

Per l'espansione adiabatica, la temperatura diminuisce mentre il volume aumenta. Ciò significa che anche la pressione dovrebbe diminuire perché, nell'espressione precedente, il numeratore diminuirebbe mentre aumenterebbe il denominatore.

Nella compressione adiabatica, accade il contrario. Poiché una diminuzione del volume indica che l'ambiente sta svolgendo lavori sull'impianto, ciò produrrebbe un cambiamento positivo nell'energia interna corrispondente a un aumento della temperatura (temperatura finale più alta).

Se la temperatura aumenta mentre il volume diminuisce , quindi aumenta anche la pressione.

Un esempio che illustra un processo approssimativamente adiabatico spesso mostrato nei corsi di fisica è il funzionamento di una siringa antincendio. Una siringa antincendio è costituita da un tubo isolato che è chiuso su un'estremità e che contiene un pistone sull'altra estremità. Lo stantuffo può essere spinto verso il basso per comprimere l'aria nel tubo.

Se un piccolo pezzo di cotone o altro materiale infiammabile viene posizionato nel tubo a temperatura ambiente, quindi lo stantuffo viene spinto molto rapidamente verso il basso, il lo stato del gas nel tubo cambierà con il calore minimo scambiato con l'esterno. L'aumento della pressione nel tubo che si verifica durante la compressione provoca un aumento drammatico della temperatura all'interno del tubo, abbastanza da far bruciare il piccolo pezzo di cotone.
Diagrammi fotovoltaici

A volume-pressione
Il diagramma (PV) è un grafico che descrive il cambiamento di stato di un sistema termodinamico. In tale diagramma, il volume viene tracciato sull'asse x
e la pressione viene tracciata sull'asse y
. Uno stato è indicato da un punto ( x, y
) corrispondente a una particolare pressione e volume. (Nota: la temperatura può essere determinata dalla pressione e dal volume usando la legge del gas ideale).

Quando lo stato cambia da una particolare pressione e volume a un'altra pressione e volume, è possibile tracciare una curva sul diagramma che indica come si è verificato il cambio di stato. Ad esempio, un processo isobarico (in cui la pressione rimane costante) sembrerebbe una linea orizzontale su un diagramma P-V. Altre curve possono essere disegnate collegando il punto iniziale e finale, e di conseguenza si tradurrebbe in diverse quantità di lavoro da svolgere. Questo è il motivo per cui la forma del tracciato sul diagramma è rilevante.

Un processo adiabatico si presenta come una curva che obbedisce alla relazione:
P \\ propto \\ frac {1} {V ^ c}

Dove c
è il rapporto tra i calori specifici c _{p /c v ( c p
è il calore specifico del gas per la pressione costante, e c v
è il calore specifico per volume costante). Per un gas monatomico ideale, c
\u003d 1.66, e per l'aria, che è principalmente un gas diatomico, c
\u003d 1.4
Processi adiabatici nei motori termici}

I motori termici sono motori che convertono l'energia termica in energia meccanica attraverso un ciclo completo di qualche tipo. Su un diagramma fotovoltaico, un ciclo del motore termico formerà un circuito chiuso, con lo stato del motore che termina dove è iniziato, ma che sta facendo un lavoro nel processo per arrivarci.

Molti processi funzionano solo in una direzione ; tuttavia, i processi reversibili funzionano ugualmente bene avanti e indietro senza infrangere le leggi della fisica. Un processo adiabatico è un tipo di processo reversibile. Ciò lo rende particolarmente utile in un motore termico poiché significa che non converte alcuna energia in una forma irrecuperabile.

In un motore termico, il lavoro totale svolto dal motore è l'area contenuta all'interno del circuito di il ciclo.
Altri processi termodinamici

Altri processi termodinamici discussi più in dettaglio in altri articoli includono:

I processi isobari, che si verificano a pressione costante. Sembreranno linee orizzontali su un diagramma P-V. Il lavoro svolto in un processo isobarico è uguale al valore di pressione costante moltiplicato per la variazione di volume.

Processo isocorico, che si verifica a volume costante. Sembrano linee verticali su un diagramma P-V. A causa del fatto che il volume non cambia durante questi processi, non viene eseguito alcun lavoro.

I processi isotermici si verificano a temperatura costante. Come i processi adiabatici, questi sono reversibili. Tuttavia, affinché un processo sia perfettamente isotermico, deve mantenere un equilibrio costante, il che significherebbe che dovrebbe avvenire all'infinito lentamente, in contrasto con il requisito istantaneo di un processo adiabatico.