Was ist ein adiabatischer Prozess?
In der Physik ist ein adiabatischer Prozess ein System, das keine Wärme mit seiner Umgebung austauscht. Dies bedeutet, dass das System bei der Ausführung von Arbeiten - ob bei Bewegungen oder mechanischen Arbeiten - die Umgebung im Idealfall nicht wärmer oder kühler macht. Bei Systemen mit Gasen erfordert ein adiabatischer Prozess normalerweise Änderungen des Drucks, um die Temperatur zu verschieben, ohne die Umgebung zu beeinträchtigen. In der Erdatmosphäre dehnen sich Luftmassen adiabatisch aus und kühlen ab, oder sie erfahren eine adiabatische Kompression und erwärmen sich. Ingenieure haben verschiedene Motoren mit Prozessen entworfen, die zumindest teilweise adiabatisch sind.
Ein adiabatischer Prozess ist ein thermodynamischer Prozess, bei dem ein System keine Wärme an seine Umgebung gewinnt oder verliert. Ein thermodynamischer Prozess kann als Messung von Energieänderungen innerhalb eines Systems vom Anfangszustand bis zum Endzustand verstanden werden. Bei Anwendungen der Thermodynamik kann ein System jeder klar definierte Raum mit einheitlichen Eigenschaften sein, sei es ein Planet, eine Luftmasse, ein Dieselmotor oder das Universum. Während Systeme viele thermodynamische Eigenschaften haben, ist hier die Temperaturänderung wichtig, die durch Wärmegewinn oder Wärmeverlust gemessen wird.
Eine Änderung der internen Energie eines Systems tritt immer dann auf, wenn dieses System Arbeiten ausführt, wie wenn eine durch interne Verbrennung angetriebene Maschine ihre Teile bewegt. Bei adiabatischen Prozessen, an denen die meisten atmosphärischen Gase wie Luft beteiligt sind, erwärmt sich das Gas durch die Kompression des Gases im System, während die Expansion es abkühlt. Einige Dampfmaschinen haben diesen Prozess ausgenutzt, um den Druck und damit die Temperatur zu erhöhen, und gelten als adiabatische Motoren. Wissenschaftler klassifizieren adiabatische Prozesse - von Maschinen bis zu Wettersystemen - danach, ob sie auf ihre ursprüngliche Temperatur umkehrbar sind oder nicht.
Innerhalb eines adiabatischen Prozesses tritt eine Temperaturänderung nur aufgrund der von ihm verrichteten Arbeit auf, nicht jedoch aufgrund von Wärmeverlusten an seine Umgebung. Aufsteigende Luft kühlt ab, ohne Wärme an benachbarte Luftmassen zu verlieren. Es kühlt ab, weil der atmosphärische Druck, der die Luft näher an der Erdoberfläche komprimiert und erwärmt, mit der Höhe abnimmt. Wenn der Druck auf ein Gas verringert wird, wird es sich ausdehnen, und die thermodynamischen Gesetze betrachten die Ausdehnung als Arbeit. Wenn sich die Luftmasse ausdehnt und Arbeit leistet, verliert sie keine Wärme an andere Luftmassen, die sehr unterschiedliche Temperaturen haben können, und durchläuft daher einen adiabatischen Prozess.
Es ist nahezu unmöglich, ein perfektes adiabatisches System zu schaffen, da normalerweise etwas Wärme verloren geht. Es gibt mathematische Gleichungen, mit denen Wissenschaftler adiabatische Prozesse modellieren, die ein perfektes System zur Vereinfachung voraussetzen. Diese müssen bei der Planung tatsächlicher Motoren oder Geräte angepasst werden. Das Gegenteil eines adiabatischen Prozesses ist ein isothermer Prozess, bei dem Wärme außerhalb des Systems an die Umgebung abgegeben wird. Wenn sich ein Gas außerhalb eines Systems mit geregeltem Druck frei ausdehnt, wird es einem isothermen Prozess unterzogen.