Wat is een adiabatisch proces?

In de natuurkunde is een adiabatisch proces een systeem dat geen warmte uitwisselt met zijn omgeving. Dit betekent dat wanneer het systeem werk uitvoert - of het nu gaat om beweging of mechanisch werk - het de omgeving idealiter niet warmer of koeler maakt. Voor systemen waarbij gassen betrokken zijn, vereist een adiabatisch proces meestal veranderingen in druk om de temperatuur te veranderen zonder de omgeving te beïnvloeden. In de atmosfeer van de aarde zullen luchtmassa's adiabatische expansie ondergaan en afkoelen, of ze zullen adiabatische compressie ervaren en opwarmen. Ingenieurs hebben verschillende motoren ontworpen met processen die ten minste gedeeltelijk adiabatisch zijn.

Een adiabatisch proces is een thermodynamisch proces waarbij een systeem geen warmte wint of verliest aan zijn omgeving. Een thermodynamisch proces kan worden opgevat als een meting van energieveranderingen binnen een systeem, genomen van een begintoestand naar een eindtoestand. Bij toepassingen van thermodynamica kan een systeem elke duidelijk gedefinieerde ruimte zijn met een uniforme reeks eigenschappen, of het nu een planeet, een luchtmassa, een dieselmotor of het universum is. Hoewel systemen veel thermodynamische eigenschappen hebben, is de belangrijkste hier temperatuurverandering, gemeten door warmtewinst of warmteverlies.

Een verandering in de interne energie van een systeem zal optreden wanneer dat systeem werkzaamheden uitvoert, zoals wanneer een machine aangedreven door interne verbranding zijn onderdelen beweegt. In adiabatische processen waarbij de meeste atmosferische gassen betrokken zijn, zoals lucht, zorgt compressie van het gas in het systeem ervoor dat het gas opwarmt, terwijl expansie het afkoelt. Sommige stoommachines hebben gebruik gemaakt van dit proces om de druk en dus de temperatuur te verhogen en worden beschouwd als adiabatische motoren. Wetenschappers classificeren adiabatische processen - van machines tot weersystemen - al naargelang ze omkeerbaar zijn naar hun oorspronkelijke temperatuur.

Binnen een adiabatisch proces zal een temperatuurverandering alleen optreden vanwege het werk dat het uitvoert, maar niet vanwege warmteverlies aan zijn omgeving. Stijgende lucht koelt zonder warmte te verliezen aan aangrenzende luchtmassa's. Het koelt omdat de atmosferische druk, die de lucht dichter bij het aardoppervlak comprimeert en verwarmt, afneemt met de hoogte. Naarmate de druk op een gas wordt verminderd, zal het toenemen en thermodynamische wetten beschouwen uitbreiding als werk. Wanneer de luchtmassa uitzet en werkzaamheden uitvoert, verliest deze geen warmte aan andere luchtmassa's die zeer verschillende temperaturen kunnen hebben en ondergaat dus een adiabatisch proces.

Het is bijna onmogelijk dat er een perfect adiabatisch systeem bestaat, omdat meestal wat warmte verloren gaat. Er zijn wiskundige vergelijkingen die wetenschappers gebruiken om adiabatische processen te modelleren die uitgaan van een perfect systeem voor gemak. Deze moeten worden aangepast bij het plannen van werkelijke motoren of apparaten. Het tegenovergestelde van een adiabatisch proces is een isotherm proces, waarbij warmte buiten het systeem wordt overgedragen aan de omgeving. Als een gas vrij uitzet buiten een systeem met gereguleerde druk, ondergaat het een isotherm proces.