Quá trình đoạn nhiệt

Mô tả

Một quá trình không liên quan đến việc chuyển nhiệt hoặc vật chất vào hoặc ra khỏi hệ thống, do đó ΔQ = 0, được gọi là quá trình đoạn nhiệt, và một hệ thống như vậy được cho là bị cô lập về đoạn nhiệt. Giả định rằng một quá trình đoạn nhiệt là một giả định đơn giản hóa được thực hiện. Ví dụ, nén khí trong một xi-lanh của động cơ được cho là xảy ra quá nhanh đến mức quy trình thời gian của quá trình nén, ít năng lượng của hệ thống có thể được chuyển ra như là nhiệt đến môi trường xung quanh. Mặc dù các xi-lanh không được cách nhiệt và có tính dẫn điện cao, quá trình này được lý tưởng hóa để tạo ra sự dễ bay hơi. Điều tương tự có thể được nói là đúng đối với quá trình mở rộng của hệ thống như vậy.
Giả định rằng việc cô lập đoạn nhiệt một hệ thống là việc hữu ích, và chúng thường được kết hợp với nhau để tính toán diễn biến có thể của hệ. Những giả định như vậy là lý tưởng hoá. Hành vi của các máy móc thực tế lệch đi khỏi những lý tưởng hóa này, nhưng giả định về hành vi "tuyệt vời" như vật của hệ cung cấp ước lượng hữu ích đầu tiên về cách thế giới thực hoạt động. Theo Laplace, khi âm thanh di chuyển trong một chất khí, không có nhiệt bị mất đi và sự truyền âm thanh là đoạn nhiệt. Với một quá trình đoạn nhiệt như vậy, mô đun đàn hồi (suất Young) có thể diễn tả là E = γP, với γ là tỷ lệ tỷ nhiệt tại một áp suất không đổi và thể tích không đổi (γ = ) và P là áp suất của chất khí.

Làm nóng và làm lạnh đoạn nhiệt

Sự nén đoạn nhiệt của khí làm tăng nhiệt độ của khí. Giãn nở đoạn nhiệt phản ứng lại áp suất, hoặc co lại nếu nhiệt độ giảm. Ngược lại, giãn nở tự do là một quá trình đẳng nhiệt đối với khí lý tưởng.
Làm nóng đoạn nhiệt xảy ra khi áp suất của khí tăng do công tác dụng vào nó bởi những thứ xung quanh, vd: một cái piston nén khí trong một hình trụ đoạn nhiệt. Ứng dụng thực tế của việc này trong động cơ Diesel mà dựa vào sự thiếu tản nhiệt nhanh trong quá trình nén để tăng nhiệt độ nhiên liệu khí đủ để đốt cháy nó.
Làm nóng đoạn nhiệt xảy ra trong khí quyển Trái Đất khi một khối khí di chuyển xuống, ví dụ, trong một gió thổi xuống, gió foehn, hoặc gió chinook thổi xuống đồi qua một dãy núi. Khi một khối khí di chuyển xuống, áp suất vào khối khí tăng lên. Do áp suất tăng lên, thể tích khối khí giảm và nhiệt độ của nó tăng khi công được tác dụng vào khối khí, do đó làm tăng nội năng của nó,  thể hiện bằng sự gia tăng nhiệt độ của khối khí đó. Khối khí chỉ có thể giải phóng năng lượng từ từ bằng dẫn truyền hoặc bức xạ (nhiệt), và với một xấp xỉ ban đầu nó có thể được coi là bị cô lập đoạn nhiệt và quá trình này được coi là quá trình đoạn nhiệt.
Làm lạnh đoạn nhiệt xảy ra khi áp suất lên một hệ bị cô lập đoạn nhiệt giảm xuống, khiến nó giãn nở, do đó khiến nó tác dụng lực vào môi trường xung quanh. Khi áp suất tác dụng vào một khối khí giảm đi, lượng khí trong khối nở ra; khi thể tích tăng lên, nhiệt độ giảm đi vì nội năng của nó giảm đi. Làm lạnh đoạn nhiệt xảy ra trong khí quyển Trái Đất với sự nâng địa hình và sóng lee, và nó có thể tạo thành mây pileus hoặc mây dạng thấu kính.
Làm lạnh đoạn nhiệt không cần phải liên quan đến một chất lưu. Một kỹ thuật được sử dụng để đạt được nhiệt độ rất thấp (hàng nghìn và thậm chí hàng triệu độ trên nhiệt độ không tuyệt đối) qua sự khử từ đoạn nhiệt, nơi có thay đổi trong từ trường lên một vật liệu từ được sử dụng để tạo ra làm lạnh đoạn nhiệt. Ngoài ra, thành phần của vũ trụ giãn nở có thể được diễn tả (đến bậc đầu tiên) là một chất lưu làm lạn đoạn nhiệt. (xem cái chết nhiệt của vũ trụ.)
Macma gia tăng cũng trải qua làm lạnh đoạn nhiệt trước khi phun trào, đặc biệt quan trọng trong trường hợp macma tăng nhanh từ độ sâu lớn như kimberlite.
Thay đổi nhiệt độ như vật có thể được định lượng bằng cách sử dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng, hoặc phương trình thủy tĩnh đối với các quá trình khí quyển.
Trong thực tế, không có quá trình nào là thực sự đoạn nhiệt. Nhiều quá trình dựa vào một sự chênh lệch lớn về quy mô thời gian của quá trình được quan tâm và tốc độ tản nhiệt qua ranh giới của hệ, và do đó được ước lượng bằng cách sử dụng một giả định đoạn nhiệt. Luôn luôn có sự mất nhiệt, vì không có chất cách ly nào hoàn hảo.

Từ nguyên

Trong tiếng Anh, đoạn nhiệt là adiabatic  /ˌædiəˈbætɪk/, nghĩa đen là 'không để bị đi qua'. Nó hình thành từ từ phủ định ἀ- ("không") của Hy Lạp cổ đại và διαβατός, "có thể bị đi qua", có nguồn gốc từ διά ("qua"), và βαῖνειν ("đi"), tạo thành từ ἀδιάβατος. Theo Maxwell, và Partington, thuật ngữ này được Rankine giới thiệu.
Nguồn gốc từ nguyên ở đây diễn tả sự truyền năng lượng bằng nhiệt và truyền vật chất qua tường không thể xảy ra.