Adyabatik süreç

Olarak termodinamik bir adiyabatik süreç a, dönüşüm her olmadan gerçekleştirilebilir ısı transferi arasında oluşan sistem incelenmiştir ve duymadan, çevresi, ısı değişimi , iki ortam arasında.

Tanım

Etimoloji

"Adyabatik kelimesi  " oluşturulurdu Yunan ἀδιάβατος  / adiabatos türetilmiş ( "geçilmez"), διαβαίνω  / diabaínō "çapraz, çapraz",.

Adyabatik bir malzeme ısıya dayanıklıdır . Bir "adyabatik muhafaza", bir sistem ile çevresi arasındaki herhangi bir ısı alışverişini önler. Bu anlamda, "aterm" ve "aterman" kelimeleri eş anlamlıdır.

Bir termodinamik dönüşüm incelenmiş sisteminin çevre ile herhangi bir ısı alışverişi olmayan hangi "adyabatik transformasyon" ya da "adyabatik yöntem" olarak adlandırılır. Bu anlamda "atermal" kelimesi eş anlamlıdır.

Bir "adyabatik eğri" veya daha basit bir şekilde "adyabatik", bir termodinamik diyagramda bir adyabatik dönüşümü temsil eden bir eğridir .

Isının geçmesine izin veren cisim, "diyaterm", "diyaterm" veya "diyatermik" olarak adlandırılır. "Diyabatik" terimi bazen, özellikle meteorolojide kullanılmaktadır .

Adyabatik süreç

Termodinamiğin birinci ilkesi belirtiyor enerji tasarrufu yapılır. Makroskopik olarak hareketsiz bir fiziksel sistem için ( kinetik enerjideki değişim sıfırdır), sistemin iç enerjisindeki değişim, dış çevre ile değiş tokuş edilen enerjiye eşittir. Bu değişimi ile sıralı bir şekilde yapılabilir çalışma arasında kuvvetlerin (mekanik enerji transferi) ya da düzensiz termal transfer arasında ısı (termal çalkalama enerji transferi). Temel bir dönüşüm için (yani, sistemi tanımlayan parametrelerin küçük bir varyasyonuna yol açan), o zaman şunlara sahibiz: U{\ displaystyle U} W{\ displaystyle W} Q{\ displaystyle Q}

dU=δW+δQ{\ displaystyle \ mathrm {d} U = \ delta W + \ delta Q}

ile:

• dU{\ displaystyle \ mathrm {d} U}iç enerji değişimi  ;U{\ displaystyle U}
• δQ{\ displaystyle \ delta Q}ısı aktarma işlemi sırasında temel (devri ısı );
• δW{\ displaystyle \ delta W}temel çalışma dönüşüm sırasında sistemi üzerine etki eden kuvvetlerin.

Adyabatik bir süreç bu nedenle herhangi bir ısı transferi olmaksızın bir dönüşümdür, yani . Sistemin iç enerjisinin değişimi, sisteme uygulanan kuvvetlerin çalışmasıyla tek mekanik enerji transferine eşittir: δQ=0{\ displaystyle \ delta Q = 0}

Adyabatik süreç δQ=0;dU=δW{\ displaystyle \ delta Q = 0 \ quad; \ quad \ mathrm {d} U = \ delta W}

İzantropik süreç, tersinirlik

Termodinamiğin ikinci prensibi sunmakta entropi Clausius eşitsizlikle tanımlanan: S{\ displaystyle S}

Entropi, Clausius eşitsizliği: dS≥δQT{\ displaystyle \ mathrm {d} S \ geq {\ delta Q \ T üzerinden}}

ile mutlak sıcaklık . T{\ displaystyle T}

Dönüşüm şudur:

• tersine çevrilebilir eğer  ;dS=δQT{\ displaystyle \ mathrm {d} S = {\ delta Q \ T üzerinden}}
• geri çevrilemez eğer .dS>δQT{\ displaystyle \ mathrm {d} S> {\ delta Q \ T üzerinden}}

İç enerjinin farkı daha sonra yazılır:

dU=δW+TdS-[TdS-δQ]{\ displaystyle \ mathrm {d} U = \ delta W + T \, \ mathrm {d} S- \ sol [T \, \ mathrm {d} S- \ delta Q \ sağ]}

Terim , bir kimyasal reaksiyondan veya ısı ile dağılan sürtünme veya viskozite kuvvetleri gibi kurtarılamaz bir kuvvet çalışmasına bağlı olabilir. -[TdS-δQ]≤0{\ displaystyle - \ sol [T \, \ mathrm {d} S- \ delta Q \ sağ] \ leq 0}

Bir izentropik işlem , ya entropi değişmediği bir dönüşümdür . Şu tespit edilebilir: dS=0{\ displaystyle \ mathrm {d} S = 0}

• izantropik ve tersinir bir süreç adyabatiktir: biz var ve nereden  ;dS=0{\ displaystyle \ mathrm {d} S = 0}dS=δQ/T{\ displaystyle \ mathrm {d} S = \ delta Q / T}δQ=0{\ displaystyle \ delta Q = 0}
• izantropik ve geri döndürülemez bir süreç adyabatik değildir: biz var ve nereden  ;dS=0{\ displaystyle \ mathrm {d} S = 0}dS>δQ/T{\ displaystyle \ mathrm {d} S> \ delta Q / T}δQ<0{\ displaystyle \ delta Q <0}
• adyabatik ve tersinir bir süreç izantropiktir: biz var ve nereden  ;δQ=0{\ displaystyle \ delta Q = 0}dS=δQ/T{\ displaystyle \ mathrm {d} S = \ delta Q / T}dS=0{\ displaystyle \ mathrm {d} S = 0}
• adyabatik ve geri döndürülemez bir süreç izantropik değildir: biz var ve nereden .δQ=0{\ displaystyle \ delta Q = 0}dS>δQ/T{\ displaystyle \ mathrm {d} S> \ delta Q / T}dS>0{\ displaystyle \ mathrm {d} S> 0}

Bu nedenle, "adyabatik" ve "izentropik" terimleri arasında bir eşdeğerlik yoktur. Bir dönüşüm, yalnızca tersine çevrilebilirse hem adyabatik hem de izantropiktir.

İdeal gazlara uygulama

Genel dava

Bir için ideal bir gaz , bir basınç kuvvetlerine sadece tabi tersinir adyabatik dönüşüm elde ederiz:

dU=δW+δQ=δW=-PdV{\ displaystyle \ mathrm {d} U = \ delta W + \ delta Q = \ delta W = -P \, \ mathrm {d} V}

ile:

• P{\ displaystyle P} basınç ;
• V{\ displaystyle V} Ses.

Joule birinci yasası İdeal gazın iç enerji sadece sıcaklığa bağlı olduğunu belirtir:

dU=VSVdT{\ displaystyle \ mathrm {d} U = C_ {V} \, \ mathrm {d} T}

ile:

• VSV{\ displaystyle C_ {V}}izokorik ısı kapasitesi  ;
• T{\ displaystyle T}mutlak sıcaklık .

Elde ederiz :

Mükemmel gaz için tersinir adyabatik proses VSVdT+PdV=0{\ displaystyle C_ {V} \, \ mathrm {d} T + P \, \ mathrm {d} V = 0}

Laplace yasası

İdeal gaz yasası ve Mayer'in ilişkisi  :

PV=değilRT{\ displaystyle PV = nRT} VSP-VSV=değilR{\ displaystyle C_ {P} -C_ {V} = nR}

vermek:

PV=(VSP-VSV)T=VSV(γ-1)T{\ displaystyle PV = \ sol (C_ {P} -C_ {V} \ sağ) \, T = C_ {V} \, \ sol (\ gama -1 \ sağ) \, T}

ile:

• VSP{\ displaystyle C_ {P}}İzobarik ısı kapasitesi  ;
• değil{\ displaystyle n}malzeme miktarı  ;
• R{\ displaystyle R}İdeal gazların evrensel sabit  ;
• γ=VSP/VSV{\ displaystyle \ gamma = C_ {P} / C_ {V}}adyabatik indeks veya Laplace katsayısı.

Dikkate alarak ve sabitler olarak, aşağıdakileri ayırt ederiz: VSV{\ displaystyle C_ {V}}γ{\ displaystyle \ gamma}

dPVγ-1=VSVdT{\ displaystyle {\ mathrm {d} PV \ over \ gamma -1} = C_ {V} \, \ mathrm {d} T}

Bu nedenle, adyabatik ideal gaz prosesleri için elde edilen genel ifade verildiğinde:

VSVdT=-PdV=dPVγ-1{\ displaystyle C_ {V} \, \ mathrm {d} T = -P \, \ mathrm {d} V = {\ mathrm {d} PV \ over \ gamma -1}} -γdVV=dPP{\ displaystyle - \ gamma \, {\ mathrm {d} V \ over V} = {\ mathrm {d} P \ over P}}

Sabit olarak düşünerek , entegrasyon yoluyla Laplace yasasını elde ederiz  : γ{\ displaystyle \ gamma}

Laplace yasası PVγ=sabit{\ displaystyle P \, V ^ {\ gamma} = {\ text {sabit}}}veya veyaP∝V-γ{\ displaystyle P \ propto V ^ {- \ gamma}}V∝P-1γ{\ displaystyle V \ propto P ^ {- {1 \ fazla \ gama}}}

Sabit 1'den büyük olduğunda, tersine çevrilebilir bir adyabatik dönüşüm, basıncın hacmin ters yönünde değişmesine neden olur: hacim azaldığında basınç artar. γ{\ displaystyle \ gamma}

Laplace yasasını ideal gaz yasasıyla birleştirerek, tersine çevrilebilir adyabatik evrim yasasının başka formülasyonlarını elde ederiz.

P1-γTγ=sabit{\ displaystyle P ^ {1- \ gamma} \, T ^ {\ gamma} = {\ text {sabit}}}veya veyaP∝Tγγ-1{\ displaystyle P \ propto T ^ {\ gamma \ over \ gamma -1}}T∝P1-1γ{\ displaystyle T \ propto P ^ {1- {1 \ fazla \ gama}}}

Tersinir bir adyabatik dönüşüm, basıncın sıcaklıkla aynı yönde değişmesine neden olur: sıcaklık arttığında basınç artar.

TVγ-1=sabit{\ displaystyle T \, V ^ {\ gamma -1} = {\ text {sabit}}}veya veyaT∝V1-γ{\ displaystyle T \ propto V ^ {1- \ gamma}}V∝T11-γ{\ displaystyle V \ propto T ^ {1 \ 1- \ gama üzeri}}

Tersinir bir adyabatik dönüşüm, hacmin sıcaklığın tersi yönünde değişmesine neden olur: hacim azaldığında sıcaklık artar.

Herhangi bir sıcaklıkta nadir gazlar (argon,  vb. ) Gibi tek atomlu ideal bir gaz için . Bir iki atomlu gaz için ( azot ve oksijen , ana bileşenleri hava ) sıcaklık ve basınç, standart koşullar altında (CNTP) . γ=5/3≈1,67{\ displaystyle \ gamma = 5/3 \ yaklaşık 1 {,} 67}γ=7/5=1,4{\ displaystyle \ gamma = 7/5 = 1 {,} 4}

Tersinir adyabatik sıkıştırma sırasında bir gazın çalışması

Başlangıç ​​durumu ile son durum arasındaki adyabatik süreç tarafından üretilen iş şu değere sahiptir: 1{\ displaystyle 1}2{\ displaystyle 2}

W1→2=-∫12PdV=∫12dPVγ-1{\ displaystyle W_ {1 \ ila 2} = - \ int _ {1} ^ {2} P \, \ mathrm {d} V = \ int _ {1} ^ {2} {\ mathrm {d} PV \ \ gamma -1}} üzerinde

dolayısıyla, sabit olarak düşünülürse : γ{\ displaystyle \ gamma}

Tersinir adyabatik süreç tarafından üretilen iş W1→2=P2V2-P1V1γ-1=değilR(T2-T1)γ-1{\ displaystyle W_ {1 \ to 2} = {P_ {2} V_ {2} -P_ {1} V_ {1} \ over \ gamma -1} = {nR \, \ left (T_ {2} -T_ {1} \ right) \ over \ gamma -1}}

ile:

• P1{\ displaystyle P_ {1}}, Ve ilk basınç, hacim ve sıcaklığı;V1{\ displaystyle V_ {1}}T1{\ displaystyle T_ {1}}
• P2{\ displaystyle P_ {2}}, Ve nihai basınç, hacim ve sıcaklık.V2{\ displaystyle V_ {2}}T2{\ displaystyle T_ {2}}

Bu şekilde hesaplanan iş, gazın iç enerjisindeki değişimi temsil eder. Gazın dışındaki ortam işi kurtarır . Wext=∫12PdV=-W1→2{\ displaystyle W _ {\ text {ext}} = \ int _ {1} ^ {2} P \, \ mathrm {d} V = -W_ {1 \ ila 2}}

Diğer uygulamalar

Adyabatik bir sürecin enerji verimliliği

Enerji verimliliği sistemi ve çalışma sağlamak için kullanılan enerji kaynağı tarafından verilen çalışma arasındaki oran olarak tanımlanır.

Adyabatik bir işlemde, tanımı gereği, iç enerji değişim sistemi tarafından mekanik enerjinin sadece transfer eşittir çalışma arasında kuvvetlerin ısı transferi dolayısıyla sıfır olduğundan, sisteme uygulanan:

δWdU=1{\ displaystyle {\ delta W \ over \ mathrm {d} U} = 1}

Bu, adyabatik bir prosesin enerji verimliliğinin tanım gereği% 100 olduğu veya adyabatik proses sırasında termal enerji kaybı veya ilavesi olmadığı anlamına gelir . Bu, özellikle sürtünme veya viskozite olmadığını varsayar , geri dönüşü olmayan çalışmaları enerjiyi ısı şeklinde dağıtır. Adyabatik bir süreç bu nedenle ideal bir durumdur.

Carnot döngüsü

Bir ısı motoru , bir dış çevre ile iş ve ısı miktarı alışverişi için bir cihazdır. Bu değişim birçok kez tekrarlanan bir döngü ile yapılır . Bazıları adyabatik olan bir dizi termodinamik dönüşüm meydana gelir.

Örneğin, Carnot çevrimi iki adyabatik dönüşüme ve iki izotermal dönüşüme karşılık gelir . Bu döngü sırasında, gaz sırayla: tersinir bir izotermal genleşme, tersinir bir adyabatik genişleme (dolayısıyla izentropik), tersinir bir izotermal sıkıştırma ve tersinir bir adyabatik sıkıştırma (dolayısıyla izentropik) geçirir.

Adyabatik soğutma

Adyabatik soğutma, suyun buharlaşmasına dayanan bir hava soğutma yöntemidir. Bu teknik aynı zamanda "biyoklimatizasyon", "buharlaşma yoluyla hava soğutma" veya "doğal iklimlendirme" olarak da adlandırılır.

Bir su aerosolünden geçen sıcak ve kuru hava, bunun kısmen buharlaşmasına neden olur. Suyun buharlaşması için gerekli enerji havadan çıkarılır ve böylece soğutulur ve nemlendirilir. Böyle bir sisteme beslenmesi gereken sprey suyu haricinde, tüketilen tek enerji, havayı su akışında dolaştırmak için gerekli olan fanın işidir.

Notlar ve referanslar

Notlar

1. Ulusal Metinsel ve Sözcüksel Kaynaklar Merkezi'nin web sitesinde, bilgisayarlı Fransız hazinesinden “adyabatizm” in sözcükbilimsel ve etimolojik tanımları .
2. “  Adyabatik  ” , Larousse sözlüğü .
3. Ulusal Metinsel ve Sözcüksel Kaynaklar Merkezi'nin web sitesinde, bilgisayarlı Fransız hazinesinden “adiabatique” in sözcükbilimsel ve etimolojik tanımları .
4. Infelta ve Graetzel , s.  3.
5. Fransız Dilini Zenginleştirme Komisyonu , "  adiabatique  " , FranceTerme , Kültür Bakanlığı ( 15 Mart 2021'de erişildi ) .
6. Fransız Dilini Zenginleştirme Komisyonu , "  adiabatique  " , FranceTerme , Kültür Bakanlığı ( 15 Mart 2021'de erişildi ) .
7. Ulusal Metinsel ve Sözcüksel Kaynaklar Merkezi'nin web sitesinde, bilgisayarlı Fransız hazinesinden alınan “diyatermin” sözlükbilimsel ve etimolojik tanımları .
8. "  Diyaterm  " , Larousse sözlüğü .
9. Fransız dilinin zenginleştirilmesi için komisyon , "  diathermane  " , FranceTerme , Kültür Bakanlığı ( 15 Mart 2021'de erişildi ) .
10. Fransız dilinin zenginleştirilmesi için komisyon , "  diyaterm  " , FranceTerme , Kültür Bakanlığı ( 15 Mart 2021'de erişildi ) .
11. G. Oscar Villeneuve, Meteoroloji ve Klimatoloji Sözlüğü , Presses Université Laval, der.  "Choronoma Serisi",1980, 680  s. ( ISBN  9782763768960 , çevrimiçi okuyun ) , s.  359.
12. Météo-France La Réunion , "  Adiabatique (dönüştürme)  " , meteofrance.re'de ( 16 Mart 2021'de erişildi ) .
13. Météo-France La Réunion , "  Diabatique  " , meteofrance.re'de ( 16 Mart 2021'de erişildi ) .
14. TV5MONDE , "  Diabatique  " , langue-francaise.tv5monde.com'da ( 15 Mart 2021'de erişildi ) .
15. Faverjon , s.  85.
16. Infelta ve Graetzel , s.  36.
17. Infelta ve Graetzel , s.  38-40.
18. Infelta ve Graetzel , s.  47.
19. Infelta ve Graetzel , s.  48.
20. Faverjon , s.  85-86.
21. Faverjon , s.  86.
22. Infelta ve Graetzel , s.  33-34.
23. Alain Garnier, Pozitif enerji binası: Evde enerji nasıl kontrol edilir? , Editions Eyrolles, coll.  "Bina enerji verimliliği",2012, 296  s. ( ISBN  9782212162110 , çevrimiçi okuyun ) , s.  176.
24. Jack Bossard, Christian Feldmann ve Jean Hrabovsky, Klima uygulaması: 24 araç sayfasında , Dunod,2020, 264  s. ( ISBN  9782100813155 , çevrimiçi okuyun ) , s.  120 (sayfa n ° 13 - adyabatik soğutma).
25. Manfred Hegger, İnşaat ve enerji: mimari ve sürdürülebilir kalkınma , PPUR Presler politeknikleri,2011, 280  p. ( ISBN  9782880747961 , çevrimiçi okuyun ) , s.  130.

Kaynakça

• Pierre Infelta ve Michael Graetzel, Termodinamik: İlkeler ve Uygulamalar , Boca Raton, Florida, BrownWalker Press,2006, 484  s. ( ISBN  1-58112-995-5 , çevrimiçi okuyun ).
• Georges Faverjon, Thermodynamique MPSI , Editions Bréal, coll.  "The New Bréal Precisions",2003, 192  p. ( ISBN  9782749502304 , çevrimiçi okuyun ).

İlgili Makaleler

• Isı (termodinamik)
• Adyabatik sıkıştırma
• Adyabatik termal gradyan
• Laplace yasası (termodinamik)
• İzantropik süreç
• Termodinamik süreç
• Termodinamik tersinirlik