Termodynamiikan perusperiaatteet kapseloivat energiansiirron kahden kokonaisuuden välillä. On olemassa useita prosesseja, joiden kautta mainittu energiansiirto tapahtuu, ja näitä erilaisia prosesseja kutsutaan termodynaamiksi prosesseiksi. Ne esitetään usein paineen ja tilavuuden tai lämpötilan ja entropian funktioina. Adiabaattinen ja Isentrooppinen ovat kaksi tällaista prosesseja.
Adiabaattinen vs Isentrooppinen
Ero termien adiabaattinen ja isentrooppinen välillä piilee siihen liittyvässä energiansiirtomekanismissa ja siinä, millaisia järjestelmiä ne näin ollen ovat. Näillä kahdella termillä on erilaisia merkityksiä, mutta termodynamiikan alalla ne edustavat tietylle energiajärjestelmälle asetettuja ulkoisia olosuhteita.
Termi adiabaattinen tarkoittaa, että lämmönsiirtoa ei tapahdu, eli lämpöä ei menetetä eikä hankita energiansiirrossa. Siksi se muodostaa lämpöeristetyn järjestelmän. Se edustaa ihanteellista energiansiirtoprosessia. Se voi olla palautuva (jossa sisäinen kokonaisenergia pysyy muuttumattomana) tai peruuttamaton (sisäinen kokonaisenergia muuttuu). Adiabaattisessa prosessissa järjestelmän ja sen ympäristön välinen kokonaislämmönvaihto on nolla. Tästä johtuen ainoa muuttuja, joka vaikuttaa järjestelmän sisäisen energian muutokseen, on tehty työ
Isentrooppinen tarkoittaa idealisoitua adiabaattista prosessia – sellaista, joka on palautuva ja jonka entropia ei muutu. Sekä isentrooppiset prosessit että adiabaattiset palautuvat prosessit ovat polytrooppisia prosesseja. Polytrooppiset prosessit ovat niitä, jotka noudattavat PV:tä = C. Tässä tapauksessa P edustaa painetta, V on tilavuus ja n edellä mainituissa kahdessa prosessissa on ? ja C on vakio. Adiabaattiset prosessit tapahtuvat tiukasti lämpöeristetyssä järjestelmässä, kun taas isentrooppiset prosessit eivät välttämättä.
Vertailutaulukko adiabaattisen ja isentrooppisen välillä
| Vertailuparametrit | Adiabaattinen | Isentrooppinen |
|---|---|---|
| Olennaiset ehdot | – Täydellisesti eristetty järjestelmä – Nopea prosessi lämmönsiirron helpottamiseksi | – Entropian on pysyttävä vakiona – Kääntyvä |
| Ihanteellinen kaasusuhde | Käännettävä: PV? = VakioPeruuttamaton: dU = -P(alanumero) dV (sisäisen energian, paineen ja tilavuuden muutoksen funktio) | PV? on aina vakio |
| Sisäinen kokonaisenergia (U = Q + W) | Sisäinen energia on yhtä suuri kuin tehty työ, koska järjestelmä on lämpöeristetty (Q = 0) | Sisäinen energia on sama kuin käytetyn ulkoisen lämmön ja tehdyn työn summa |
| Entropian muutos (ΔS) | Käännettävä – Entropiassa ei muutostaPeruuttamaton – Entropian muutos esitetään nettolämmönsiirron ja järjestelmän lämpötilan funktiona. | Entropia pysyy ennallaan |
| Mahdolliset käyttötapaukset | Lämpöpurskeen meteorologinen ilmiö | Turbiinit |
Mikä on adiabaattinen?
Adiabaattisia prosesseja voi olla kahta tyyppiä – adiabaattista laajennusta ja adiabaattista puristusta. Ihanteellisen kaasun adiabaattisessa laajenemisessa järjestelmän sisällä oleva ihanteellinen kaasu tekee työn ja siksi järjestelmän lämpötila laskee. Lämpötilan laskun vuoksi tämä on adiabaattista jäähdytystä. Päinvastoin, ihanteellisen kaasun adiabaattisessa puristuksessa työstetään kaasun sisältävää järjestelmää termisesti eristetyssä ympäristössä. Tämän seurauksena kaasun lämpötila nousee. Tästä syntyy niin sanottu adiabaattinen lämmitys. Näin ollen näitä ominaisuuksia käytetään tietyissä tosielämän sovelluksissa. Esimerkiksi jäähdytystorneissa käytetään laajenemisominaisuuksia ja dieselmoottoreissa puristusominaisuuksia.
Mikä on Isentropic?
Isentrooppinen prosessi, kuten termi ehdottaa, on sellainen, jossa ei ole nettolämmönvaihtoa ja mikä vielä tärkeämpää, järjestelmän entropia on vakio. Reversiibelissä adiabaattisissa prosesseissa entropian muutos on nolla. Siksi kaikki palautuvat adiabaattiset prosessit ovat myös isentrooppisia prosesseja. Päinvastoin ei kuitenkaan aina viitata tässä tapauksessa. On olemassa isentrooppisia prosesseja, jotka eivät ole adiabaattisia. Keskeinen huomioitava seikka isentrooppisten prosessien tapauksessa on muutos, jossa entropiaa ei tapahdu.
Järjestelmässä voi olla positiivinen entropia ja yhtä suuri ja vastakkainen negatiivinen entropia. Tällaisessa tapauksessa nettomuutos entropiassa pysyy silti nollana, koska kaksi entropia-arvoa tasapainottavat toisiaan. Tällainen järjestelmä ei ole adiabaattinen (koska se ei ole termisesti eristetty järjestelmä), vaan se on isentrooppinen. Useimmille isentrooppisille järjestelmille on myös pääosin ominaista kitkan puute. Tämä kitkan puute mahdollistaa sen, että prosessi on palautuva ja idealisoitu adiabaattinen prosessi.
Tärkeimmät erot adiabaattisen ja isentrooppisen välillä
Johtopäätös
Termodynaaminen prosessi voi kulkea lukemattomia polkuja. Sen lähdön perusteella, jonka järjestelmän on annettava, voidaan muokata muuttujia, kuten paineita, tehtyä työtä. Tämän seurauksena syntyy ainutlaatuisia tulosyhdistelmiä. Sekä adiabaattiset prosessit että isentrooppiset prosessit tapahtuvat erillisten termodynaamisten järjestelmien seurauksena, joissa edellytykset liittyvät lämpöenergiaan ja entropiaan. Vaikka niiden systeemiset olosuhteet vaihtelevat, ne eivät ole toisiaan poissulkevia järjestelmiä. Sekä adiabaattisilla prosesseilla että isentrooppisilla prosesseilla on merkittäviä käyttötapauksia tosielämässä.
Viitteet
1. https://sci-hub.se/https://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.1973642. http://www.asimow.com/reprints/PhilTrans_355_255.pdf3.
