Prozesu adiabatiko

Termodinamikan, prozesu adiabatikoa edo eraldatze adiabatikoa sistema termodinamikoaren eta ingurunearen artean beroaren transferentziarik gabe gertatzen den hura da, eta beraz, bero konstantean garatzen dena [1]. Prozesu isotermikoan ez bezala, non sistemaren aldaketa ematen den baina tenperatura konstante mantentzen den, energia lan gisa baino ez da transmititzen [2]. Hauek ez dira sistema isolatu batekin nahastu behar, non energia - eta materia - ezin den ingurunearekin trukatu[3]. Prozesu adiabatikoa itzulgarria denean, prozesu isoentropiko moduan ezagutzen da[4]. Prozesu adiabatikoaren gaia uhinekin erlazionatzen bada, kontuan hartu behar da prozesu edo izaera adiabatikoa luzetarako uhinetan baino ez dela gertatzen[5].

Prozesu isotermiko baten eta adiabatiko baten arteko ezberdintasuna.

Prozesu adiabatikoa termodinamikaren lehenengo legea azaltzen duen teoria babesten du, termodinamikaren kontzeptu giltzarri gisa[6][7].

Berotze eta hozte adiabatikoa

Beroketa eta hozte adiabatikoa gas baten presioa aldatzearen ondorioz gertatzen diren prozesuak dira, bolumen- eta tenperatura-aldaketak eraginez. Izan ere, termodinamikaren lehenengo legearen arabera[6],

 

non, U = barne-energia

Q = Beroa

W = lana.


Prozesu adiabatikoetan kanpoko berorik ez izanda (Q = 0), sistemaren edozein lan barne-energiaren bitartez burutu beharko da. Sistema baten lana hurrengo ekuazioaren bitartez defini daiteke:

 

non, P = Presioa

V = Bolumena.


Beraz, gas baten konpresioak beroketa adiabatikoa sortzen du, hedapenak hozte adiabatikoa erakartzen duen bitartean.

Gas idealen hedapen adiabatikoa

Egoera-aldagaien balio berriak gas idealen legea erabiliz kuantifika daitezke. Ildo horretan, Joule-k hedapen librean gas perfektu baten barne-energia bolumenarekiko edo presioarekiko independentea zela ondorioztatu zuen, tenperaturarekiko menpekotasuna soilik erakutsiz[8]. Gas idealetara aplikatuz, lortzen diren ekuazioak ondorengoak dira[9]:

Termodinamikako lehenengo ekuaziotik abaiatuta:

 

non, n = mol kopurua

  = Bero-ahalmena bolumen konstantean


Gas idealetan betetzen diren ekuazioei dagokionez,


  non, R = gasen konstantea

  non,   = Bero-ahalmena presio konstantean, n-ren menpe

  non,   = indize adiabatikoa


Beraz,  

Termodinamikako lehenengo legean ordezkatuz,   

Lortzen den ekuazioa integratuz,  

Gas idealen ekuazioa erabiliz presio/bolumen erlazioa lor daiteke:

   

Kurba adiabatikoak

Kurba adiabatikoak (edo adiabatoak) diagrama bateko entropia konstanteko kurba bat da. Kurba adiabatikoen P-V diagramaren ezaugarri nagusiak ondorengoak dira[10][11]:

 
Prozesu adiabatiko batean, lana egiten duen fluidoaren barne-energiak nahitaez txikiagotu behar du. Irudi honetan adiabatoaren eta isotermen gainezarmena erakusten da.
  • Kurba bakoitza diagramaren bi ardatzetara asintota gisa hurbiltzen dira, isotermak moduan.
  • Kurba bakoitza isoterma bakoitzarekin puntu bakar batean elkartzen da.
  • Kurba adiabatikoa isotermaren antza dauka, baina bertikalagoa. Izan ere, hedapen batean prozesu adiabatikoak presio gehiago galtzen du.
  • Isotermak ahurrak badira ipar-ekialderantz (45ºC), kurba adiabatikoak ahurrak izango dira ekialde ipar-ekialderantz (31ºC).


Adiabatikoak eta isotermak bereizita marrazten badira entropian eta tenperaturan aldaketa erregularrak eginez, orduan, ardatzetatik urrundu ahala (ipar-ekialderantz), badirudi isotermen dentsitatea konstante mantentzen dela, baina adiabatikoen dentsitatea txikiagotu egiten da. Salbuespena zero absolututik oso gertu dago, non adiabatikoen dentsitatea bortizki erortzen den eta oso arraroak bihurtzen diren.


Propietate hauek gas idealen portaera klasikotik irakur daitezke, PV txikia (tenperatura baxua) bihurtzen den eremuan izan ezik, non efektu kuantikoak garrantzitsu bihurtzen diren.

Hurbilpen adiabatikoak

Ohikoa da pzozesu bat adiabatikoa dela suposatzea sistema baten jokabidearen hasierako hurbilketa kalkulatzeko. Izan ere, prozesu askotan aldaketa hain azkar gertatzen den, zeren bero transferentzia emateko denborarik ez dagoela suposatzen den. Adibidez, soinuaren hedapena gas baten barnean ematen denean, beroa ingurunera transmititzeko denborarik ez dago, Laplace-n arabera, eta beraz, soinuaren hedapena garraioa prozesu adiabatikoa da[12]. Beste adibide bat sugar tenperatura adiabatikoan aurki daiteke. Honetan hurbilpen adiabatikoa erabiltzen da sugarraren goiko tenperatura muga determinatzeko, konbustioan berorik galtzen ez dela onartuz[13].

Adibideak

 
Airearen igoera-jaitsiera adiabatikoaren adibidea. Kasu honetan ur lurrunaren kondentsazioak beroa ematen duenez, tenperatura jaitsiera igoera baino leunagoa da.

Atmosferan

Berotze adiabatikoa Lurraren atmosferan beha daiteke, aire-masa jaisten denean (haize katabatikoa, adibidez, Foehn haizea) aire-masaren presioa handitzen da. Presioa handitzearen ondorioz, aire "puska"-ren bolumena jaitsi egiten da, eta haren tenperatura handitu egiten da konpresio lana egin ahala. Hala, barne-energia handitu egiten da, eta, ondorioz, aire-masa horren tenperatura igo egiten da, nahiz eta berorik ez trukatu[14]. Era berean, aire puska gorantz badoa, presio gutxiagoko gune batera joango da, prozesuan zehar bolumena handituz barruan duen presioa inguruko airearen presioaren maila berera heldu arte. Airea hedatzeak lana eskatzen duenez, energia aire puskatik ateratzen den berotik hartzen da, airearen tenperatura murriztuz ingurunearekin berorik trukatu gabe[15].

Nola edo hala, bi igoera-jaitsiera adiabatiko mota ezberdintzen dira, ur lurrunarenegoeraren aldaketaren arabera. Honek tenperatura aldaketa (gradiente adibatiko moduan ezagutzen dena) sakonagoa edo leunagoa izatea eragiten du[15].

Metereologian eta ozeanografian

Hozte adiabatikoak hezetasuna edo gazitasuna kondentsatzen du, lurzatia asetuz, eta beraz, soberakina kentzeko beharra sortzen da. Bertan, prozesua prozesu pseudoadiabatikoa bihurtzen da, non kondentsatzen den ura edo gatz likidoa, idealizatutako bat-bateko prezipitazio bidezko prestakuntzan deuseztatzen dela suposatzen den. Prozesu pseudoadiabatikoa hedapenerako bakarrik definitzen da, lurzati konprimitu bat berotu eta subsaturatuta mantentzen delako[16].

Bolkanologian

Magma handipenean prozesu adiabatikoak identifika daitezke ere, non erupzioa baino lehen hozte adiabatikoa ematen den. Hau bereziki nabarmena da sakonera handiko handipen azkarretan, kimberlitoak kasu[17].

Aplikazioak

  • Klimatizazioan hezetze adiabatikoak aurki daitezke. Hauen bitartez airearen tenperatura eta hezetasun erlatiboa aldatzea lortzen da, airearen bero propiaz baliatuz eta bero transferentzia ekidituz[18][19].
  • Diesel motorren oinarria den bero-disipaziorik ez egotea konpresio-kolpean, erregaiaren lurrun-tenperatura igotzeko - eta beraz, erregaia pizteko - [20].

Etimologia

Adiabatiko terminoa grekozko "ἀδιάβατος" terminoaren anglizaziotik dator, Xenofontek erabilita eta "ezin da" esan nahi duena. Esanahi termodinamikoarekin Rankinek (1866) erabili zuen[21], ondoren Maxwell-ek hartu zuena[22]. Jatorri etimologikoa energia bero gisa transferitzeko eta horman zehar materia transferitzeko ezintasunari dagokio.

Ikus, gainera

 
Erlazionatutako prozesu termodinamikoen kurba diagramak.

Erlazionatutako fisika kontzeptuak

Erlazionatutako termodinamika prozesuak

Erreferentziak

  1. (Ingelesez) Stanford, A. L.; Tanner, J. M.. (1985-01-01). Stanford, A. L. ed. «10 - Heat and Thermodynamics» Physics for Students of Science and Engineering (Academic Press): 265–308. ISBN 978-0-12-663380-1. (Noiz kontsultatua: 2023-03-06).
  2. (Alemanez) Carath�odory, C.. (1909-09). [http://link.springer.com/10.1007/BF01450409 «Untersuchungen �ber die Grundlagen der Thermodynamik»] Mathematische Annalen 67 (3): 355–386. doi:10.1007/BF01450409. ISSN 0025-5831. (Noiz kontsultatua: 2023-03-06).
  3. (Ingelesez) Chang, Raymond. (2005-02-11). Physical Chemistry for the Biosciences. University Science Books ISBN 978-1-891389-33-7. (Noiz kontsultatua: 2023-03-06).
  4. (Gaztelaniaz) «An advanced treatise on physical chemistry. Vol. 1, Fundamental principles. The Properties of gases | WorldCat.org» www.worldcat.org (Noiz kontsultatua: 2023-03-06).
  5. E, Carlos. Física Tipler 6ª Ed. Vol. 1. TEMAS 1-8. (Noiz kontsultatua: 2023-03-06).
  6. a b (Ingelesez) Zohuri, Bahman. (2018-01-01). Zohuri, Bahman ed. «Chapter 5 - First Law of Thermodynamics» Physics of Cryogenics (Elsevier): 119–163. ISBN 978-0-12-814519-7. (Noiz kontsultatua: 2023-03-06).
  7. Gislason, Eric A.; Craig, Norman C.. (2002). «First Law of Thermodynamics; Irreversible and Reversible Processes» Journal of chemical education 79 (2): 193. ISSN 0021-9584. (Noiz kontsultatua: 2023-03-06).
  8. Goussard, Jacques‐Olivier; Roulet, Bernard. (1993-09-01). «Free expansion for real gases» American Journal of Physics 61 (9): 845–848. doi:10.1119/1.17417. ISSN 0002-9505. (Noiz kontsultatua: 2023-03-06).
  9. (Ingelesez) Berman, A.. (1985-01-01). Berman, A. ed. «CHAPTER 3 - Pressure Standards» Total Pressure Measurements in Vacuum Technology (Academic Press): 50–120. ISBN 978-0-12-092440-0. (Noiz kontsultatua: 2023-03-06).
  10. (Ingelesez) Ghosh, T. K.; Hines, A. L.. (1999-01-01). Dąbrowski, A. ed. «Solid desiccant dehumidification systems» Studies in Surface Science and Catalysis (Elsevier) 120: 879–916. (Noiz kontsultatua: 2023-03-06).
  11. (Ingelesez) «Adiabatic Example: Detailed Examples On Adiabatic Process,Adiabatic System,Facts -» lambdageeks.com (Noiz kontsultatua: 2023-03-06).
  12. (Gaztelaniaz) Pierce, Allan. (1989). Acústica: Una introducción a sus principios físicos y aplicaciones. Woodbury ISBN 0-88318-612-8..
  13. (Ingelesez) Oppenheim, Irwin. (1996-05-01). «A survey of thermodynamics» Journal of Statistical Physics 83 (3): 791–792. doi:10.1007/BF02183751. ISSN 1572-9613. (Noiz kontsultatua: 2023-03-07).
  14. (Ingelesez) Hemond, Harold F.; Fechner, Elizabeth J.. (2015-01-01). Hemond, Harold F. ed. «Chapter 4 - The Atmosphere» Chemical Fate and Transport in the Environment (Third Edition) (Academic Press): 311–454. ISBN 978-0-12-398256-8. (Noiz kontsultatua: 2023-03-06).
  15. a b Saila, Kultur. (2011-07-13). «d1301071» www.euskadi.eus (Noiz kontsultatua: 2023-03-06).
  16. (Ingelesez) Wallace, John M.; Hobbs, Peter V.. (2006-03-24). Atmospheric Science: An Introductory Survey. Elsevier ISBN 978-0-08-049953-6. (Noiz kontsultatua: 2023-03-07).
  17. Kavanagh, Janine L.; Sparks, R. Stephen J.. (2009). «Temperature changes in ascending kimberlite magma» Earth and Planetary Science Letters 286 (3-4): 404. ISSN 0012-821X. (Noiz kontsultatua: 2023-03-06).
  18. (Gaztelaniaz) McCabe, W. L.; Smith, J. C.. (2016-01-02). Operaciones básicas de ingeniería química Volumen 2. Reverte ISBN 978-84-291-9254-4. (Noiz kontsultatua: 2023-03-06).
  19. (Gaztelaniaz) «Humidificadores Adiabáticos» climacontrol.es (Noiz kontsultatua: 2023-03-06).
  20. (Ingelesez) Tindal, M. J.; Uyehara, O. A.. (1988-01-01). Arcoumanis, CONSTANTINE ed. «Chapter Three - Diesel Engines» Internal Combustion Engines (Academic Press): 101–155. ISBN 978-0-12-059790-1. (Noiz kontsultatua: 2023-03-06).
  21. Rankine, William John Macquorn; Millar, William J.; Tait, Peter Guthrie. (1881). Miscellaneous scientific papers:. London, C. Griffin and company (Noiz kontsultatua: 2023-03-06).
  22. Maxwell, James Clerk. (1970). Theory of heat. Westport, Conn., Greenwood Press (Noiz kontsultatua: 2023-03-06).

Kanpo estekak