Адиабатический процесс

АДИАБАТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС, процесс, про­исходящий в какой-либо системе без притока или отдачи тепла. Чтобы заставить тело совершать А. п., необходимо в тепловом отношении полностью изоли­ровать его от окружающей среды. Однако, если про­цесс происходит достаточно быстро (так, что за это время нет заметного теплообмена между телом и ок­ружающей средой), то его можно считать А. п., да­же при отсутствии изоляции от внешней среды. Примером такого А. п. может служить процесс рас­пространения звука в газах или других телах. В ме­стах сгущения газа температура его повышается в местах разрежения — понижается. Но за период звуковых колебаний не происходит сколько-нибудь заметного теплообмена между сгущёнвыми и разре­женными слоями газа. Это и даёт возможность в нер­вом приближении считать процесс распространения звука в газе А. н.

Если система при А. п. совершает внешнюю работу, то внутренняя энергия её уменьшается. Для идеаль­ного газа  внутренняя энергия зависит только от температуры и не зависит от объёма; поэтому при адиабатич. расширении идеального газа с совершением внешней работы температура ого должна понижаться. С точки зре­ния молекулярной теории механизм понижения температуры газа можно пояснить следующим при­мером. Пусть газ находится в непроводящем тепло цилиндре с поршнем, па к-ром лежит груз. Если несколько уменьшить нагрузку на поршень, то газ будет адиабатически расширяться. Если бы поршень был неподвижен, молекула газа при ударе о поршень отскочила бы с той же самой скоростью, к-рую имела до удара. Если же поршень движется, то она отско­чит с меньшей скоростью. Т. о. при адиабатич. расширении средняя скорость молекул газа умень­шается, т. е. газ охлаждается. Наоборот, при адиа­батич. сжатии, когда над газом совершается работа, газ нагревается.

Особое значение имеют обратимые А. п. Для об­ратимых А. п. энтропия  системы сохраняет постоянное значение; для необратимого А. п. энтро­пия возрастает.

А. п. играют важную роль в атмосфере. При из­менении внешнего давления на данную массу воз­духа меняются температура и плотность воздуха. Изменение давления может происходить либо вслед­ствие горизонтального перемещения воздуха в сто­рону низкого давления, либо при уменьшении «на­грузки» па воздух сверху в связи с перемещениями воздушных масс в вышележащих слоях атмосферы, либо, наконец, при вертикальном смещении воздуха, благодаря к-рому оп попадает под более низкое (при смещении вверх)'или под более высокое (при смеще­нии вниз) внешнее давление. Наиболее важен по­следний случай. Так как давление в атмосферном столбе закономерно меняется с высотой,то адиабатич. изменение температуры при вертикальном смещении воздуха является функцией расстояния по вер­тикали, на которое сместился воздух. Оказывается, что для сухого воздуха получается линейная зави­симость: температура падает почти на 1°С при подъёме воздуха на 100 м, независимо от начальных условий, и возрастает на ту же величину при опускании воз­духа на 100 м (сухоадиабатич. изменение, или сухо- адиабатич. градиент).

Влажный, но ненасыщенный воздух меняет свою температуру нри адиабатич. процессе почти так же, как и сухой. В насыщенном воздухе дело обстоит иначе: в восходящем насыщенном воздухе при охлаж­дении и происходпт конденсация водяного пара, при­чём выделяется скрытая теплота конденсации. По­этому изменение температуры при подъёме оказы­вается меньше, чем при сухоадиабатич. процессе, и тем меньше,чем больше влаги содержится в воздухе. Следовательно, влажноадиабатич. изменение тем­пературы, или влажноадиабатич. градиент (для на­сыщенного воздуха) оказывается величиной пере­менной и зависит от давления и температуры, поскольку от них зависит упругость насыщающего водяного пара. Он всегда меньше сухоадиабатич. градиента, но приближается к нему при низких температурах и высоких давлениях. Для примера укажем, что при давлении 1.000 мб (миллибар) и тем­пературе 0й влажноадиабатич. градиент равен 0,65°, при давлении 500 мб и температуре 0° он равен 0,5Г и при давлении 5.000 мб и температуре 0° он равен 0,87е на 100 м. Опускаясь, воздух нагревается и удаляется от состояния насыщения, вследствие чего повышение в нём температуры происходит по сухо­адиабатич. закону. Если, однако, продукты конден­сации остаются в воздухе (в виде облаков), то при нисходящем движении и нагревании воздуха опи испаряются, вследствие чего часть тепла переходит в скрытое состояние; в результате повышение тем­пературы будет происходить по влажноадиабатич. закону, т. е. с тем же градиентом, что и при подъёме насыщенного воздуха. Описанный процесс — адиаба­тического подъёма при конденсации и опускания при испарении избыточной влаги — носит название исевдоадиабатического.

Многие атмосферные процессы можно с большим приближением рассматривать как адиабатические и применять к их исследованию законы адиабатич. процессов. Сюда относится подъём воздуха в процесс конвекции, приводящий к образованию кучевых и кучедождевых облаков, восходящее скольжение воздуха над фронтальными поверхностями, приводящее к возникнове­нию мощных и обширных облачных систем, нисходящее движение воздушных слоёв, приводящее к возникновению температурных инвер­сий в свободной атмосфере, возникновение фёна, т. е. тёплого и сухого ветра, при нисходящем движе­нии роздуха по горному склону и т. п.

АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС, процесс, происходящий в физической системе без теплообмена с окружающей средой. А.п. можно осуществить в системе, окруженной теплоизолирующей (адиабатной) оболочкой. Пример такого А.п.— рабочий такт тепловой машины, при котором газ (пар) расширяется в цилиндре с теплоизолирующими стенками и поршнем, при отсутствии необратимых превращений работы трения в теплоту.

А.п. можно реализовать и при отсутствии адиабатной оболочки; для этого он должен протекать настолько быстро, чтобы за время процесса не произошло теплообмена между системой и окружающей средой. Так происходит, например, сжатие газа ударной волной, при котором газ, не успевая отдать выделившуюся теплоту, сильно нагревается. При скорости волны порядка 1 км/сек (скорости, достигнутой современными сверхзвуковыми самолётами) и сжатии воздуха под действием ударной волны в 4 раза температура воздуха повышается до 700°С. Адиабатное расширение газа с совершением работы против внешних сил и сил взаимного притяжения молекул вызывает его охлаждение. Такое охлаждение газов лежит в основе процесса сжижения газов. А.п. размагничивания парамагнитных солей позволяет получить температуры, близкие к абсоллютному нулю.
А.п. могут протекать обратимо и необратимо. В случае обратимого А.п. энтропия системы остаётся постоянной. Поэтому обратимый А.п. называют ещё изоэнтропийным. На диаграмме состояния системы он изображается кривой, называемой адиабатой, или изоэнтропой. В необратимых А.п. энтропия возрастает.