La termodinámica es una rama de la física que estudia los procesos mediante los cuales la energía térmica puede cambiar de forma. A menudo, los gases ideales se estudian específicamente porque, no solo son mucho más simples de entender, sino que muchos gases se pueden aproximar como ideales.

Un estado termodinámico particular se define mediante variables de estado. Estos incluyen presión, volumen y temperatura. Al estudiar los procesos mediante los cuales un sistema termodinámico cambia de un estado a otro, puede obtener una comprensión más profunda de la física subyacente.

Varios procesos termodinámicos idealizados describen cómo los estados de un gas ideal pueden sufrir cambios. El proceso adiabático es solo uno de estos.
Variables de estado, funciones de estado y funciones de proceso

El estado de un gas ideal en cualquier momento puede ser descrito por las variables de estado presión, volumen y temperatura. . Estas tres cantidades son suficientes para determinar la condición actual del gas y no dependen en absoluto de cómo el gas obtuvo su estado actual.

Otras cantidades, como la energía interna y la entropía, son funciones de estas variables de estado . Una vez más, las funciones estatales tampoco dependen de cómo el sistema entró en su estado particular. Solo dependen de las variables que describen el estado en el que se encuentra actualmente.

Las funciones de proceso, por otro lado, describen un proceso. El calor y el trabajo son funciones de proceso en un sistema termodinámico. El calor solo se intercambia durante un cambio de un estado a otro, al igual que el trabajo solo se puede hacer cuando el sistema cambia de estado.
¿Qué es un proceso adiabático?

Un proceso adiabático es un proceso termodinámico que ocurre sin transferencia de calor entre el sistema y su entorno. En otras palabras, el estado cambia, se puede trabajar en o por el sistema durante este cambio, pero no se agrega o elimina energía térmica.

Dado que ningún proceso físico puede ocurrir instantáneamente y ningún sistema puede ser realmente perfecto aislado, una condición perfectamente adiabática nunca se puede lograr en la realidad. Sin embargo, puede ser aproximado y se puede aprender mucho estudiándolo.

Cuanto más rápido se produce un proceso, más cerca puede estar de adiabático porque menos tiempo habrá para una transferencia de calor.
Procesos adiabáticos y la primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual a la diferencia del calor agregado al sistema y el trabajo realizado por el sistema. En forma de ecuación, esto es:
\\ Delta E \u003d QW

Donde E
es la energía interna, Q
es el calor agregado al sistema y W
es el trabajo realizado por el sistema.

Dado que no se intercambia calor en un proceso adiabático, entonces debe ser el caso de que:
\\ Delta E \u003d -W

En otro es decir, si la energía abandona el sistema, es el resultado del trabajo del sistema, y si la energía ingresa al sistema, resulta directamente del trabajo realizado en el sistema.
Expansión y compresión adiabática

Cuando un el sistema se expande adiabáticamente, el volumen aumenta mientras no se intercambia calor. Este aumento en el volumen constituye el trabajo realizado por el sistema en el medio ambiente. Por lo tanto, la energía interna debe disminuir. Dado que la energía interna es directamente proporcional a la temperatura del gas, esto significa que el cambio de temperatura será negativo (la temperatura cae).

De la ley del gas ideal, puede obtener la siguiente expresión para la presión:
P \u003d \\ frac {nRT} {V}

Donde n
es el número de moles, R
es la constante de gas ideal, T
es temperatura y V
es el volumen.

Para la expansión adiabática, la temperatura baja mientras que el volumen sube. Esto significa que la presión también debería bajar porque, en la expresión anterior, el numerador disminuiría mientras que el denominador aumentaría.

En la compresión adiabática, sucede lo contrario. Dado que una disminución en el volumen indica que el entorno está realizando trabajo en el sistema, esto produciría un cambio positivo en la energía interna correspondiente a un aumento de temperatura (temperatura final más alta).

Si la temperatura aumenta mientras el volumen disminuye , entonces la presión también aumenta.

Un ejemplo que ilustra un proceso aproximadamente adiabático que a menudo se muestra en cursos de física es la operación de una jeringa de fuego. Una jeringa de fuego consiste en un tubo aislado que está cerrado en un extremo y que contiene un émbolo en el otro extremo. El émbolo se puede empujar hacia abajo para comprimir el aire en el tubo.

Si se coloca un pequeño trozo de algodón u otro material inflamable en el tubo a temperatura ambiente, y luego se empuja el émbolo hacia abajo muy rápidamente, el El estado del gas en el tubo cambiará con un intercambio mínimo de calor con el exterior. El aumento de la presión en el tubo que ocurre después de la compresión hace que la temperatura dentro del tubo aumente drásticamente, lo suficiente como para que la pequeña pieza de algodón se queme.
Diagramas PV

A presión-volumen
(PV) es un gráfico que representa el cambio en el estado de un sistema termodinámico. En dicho diagrama, el volumen se representa en el eje x
, y la presión se representa en el eje y
. Un estado se indica mediante un punto ( x, y
) correspondiente a una presión y volumen particulares. (Nota: La temperatura se puede determinar a partir de la presión y el volumen utilizando la ley de los gases ideales).

A medida que el estado cambia de una presión y volumen en particular a otra presión y volumen, se puede dibujar una curva en el diagrama que indica cómo Por ejemplo, un proceso isobárico (en el que la presión permanece constante) se vería como una línea horizontal en un diagrama P-V. Se pueden dibujar otras curvas que conectan el punto de inicio y el de finalización y, en consecuencia, se realizarán diferentes cantidades de trabajo. Es por eso que la forma de la ruta en el diagrama es relevante.

Un proceso adiabático aparece como una curva que obedece a la relación:
P \\ propto \\ frac {1} {V ^ c}

Donde c
es la relación de calores específicos c _{p /c v ( c p
es el calor específico del gas a presión constante, y c v
es el calor específico para volumen constante). Para un gas monoatómico ideal, c
\u003d 1.66, y para el aire, que es principalmente un gas diatómico, c
\u003d 1.4
Procesos adiabáticos en motores de calor}

Los motores térmicos son motores que convierten la energía térmica en energía mecánica a través de un ciclo completo de algún tipo. En un diagrama FV, un ciclo de motor térmico formará un circuito cerrado, con el estado del motor terminando donde comenzó, pero trabajando en el proceso de llegar allí.

Muchos procesos solo funcionan en una dirección ; sin embargo, los procesos reversibles funcionan igualmente bien hacia adelante y hacia atrás sin romper las leyes de la física. Un proceso adiabático es un tipo de proceso reversible. Esto lo hace particularmente útil en un motor térmico, ya que significa que no convierte ninguna energía en una forma irrecuperable.

En un motor térmico, el trabajo total realizado por el motor es el área contenida dentro del bucle de el ciclo.
Otros procesos termodinámicos

Otros procesos termodinámicos discutidos con más detalle en otros artículos incluyen:

Procesos isobáricos, que ocurren a presión constante. Estos se verán como líneas horizontales en un diagrama P-V. El trabajo realizado en un proceso isobárico es igual al valor de presión constante multiplicado por el cambio en el volumen.

Proceso isocrórico, que ocurre a volumen constante. Parecen líneas verticales en un diagrama P-V. Debido al hecho de que el volumen no cambia durante estos procesos, no se realiza ningún trabajo.

Los procesos isotérmicos ocurren a temperatura constante. Al igual que los procesos adiabáticos, estos son reversibles. Sin embargo, para que un proceso sea perfectamente isotérmico, debe mantener un equilibrio constante, lo que significaría que tendría que ocurrir infinitamente lento, en contraste con el requisito instantáneo de un proceso adiabático.