Proces adiabatyczny

Proces adiabatyczny (procesy adiabatyczne), także przemiana adiabatyczna (przemiany adiabatyczne), rzadziej skrótowo adiabata – proces termodynamiczny zachodzący w układzie odizolowanym termicznie od otoczenia. W procesie tym układ ani nie oddaje, ani nie pobiera ciepła (układ termodynamiczny nie wymienia ciepła z otoczeniem). Izolacja taka to izolacja adiabatyczna. W odwracalnej przemianie adiabatycznej entropia nie zmienia swojej wartości (S = const). Szczególne znaczenie procesy adiabatyczne mają w meteorologii – patrz ostatni rozdział artykułu.

Proces adiabatyczny (przemiana adiabatyczna), układ adiabatyczny i adiabata

W ujęciu praktycznym szybkość przemiany adiabatycznej musi być na tyle duża, aby układ nie zdążył pobrać lub oddać wystarczającej ilości ciepła. Nie istnieją bowiem w rzeczywistości idealne procesy adiabatyczne. Można jednak ujmować w praktyce jako procesy adiabatyczne te zjawiska, które przebiegają wystarczająco szybko, które zachodzą w układach izolowanych cieplnie oraz występujące w układzie, w którym można pominąć oddziaływanie z otoczeniem. Przykładem przemiany adiabatycznej może być rozchodzenie się dźwięku. W czasie rozchodzenia się dźwięku przemiany są na tyle szybkie, że ciepło nie może zdążyć przepłynąć z jednej części układu do drugiej. Przez układ rozumieć można tu także obszary ośrodka o małych wymiarach (w porównaniu z długością fali głosowej).

Dla gazów doskonałych przemianę adiabatyczną opisuje równanie Poissona (prawo Poissona sformułował w 1828 roku Siméon Denis Poisson):

gdzie: p to ciśnienie, V to objętość, T to temperatura bezwzględna, kappa to wykładnik adiabaty (stała fizyczna).

Zachodzić mogą tak odwracalne, jak i nieodwracalne procesy adiabatyczne. Odwracalny proces adiabatyczny określa się terminem proces izentropowy lub proces izoentropowy. Adiabata to krzywa, która odpowiada w przestrzeni stanów kwazistatycznej przemianie adiabatycznej.

W odwracalnym procesie adiabatycznym praca wykonana przez układ lub nad układem jest równa ubytkowi, względnie przyrostowi, energii wewnętrznej układu. Odwracalny proces adiabatyczny spełnia równanie adiabaty. Entropia układu pozostaje w nim stała. W nieodwracalnym procesie adiabatycznym entropia układu wzrasta.

Procesy adiabatyczne w meteorologii

W meteorologii rozpatruje się procesy adiabatyczne rozumiane jako zmiany temperatury zachodzące w określonej porcji (masie) powietrza, która poddawana jest zmianom ciśnienia atmosferycznego – procesy te zachodzą bez wymiany ciepła z otoczeniem. Przemiana adiabatyczna dotyczy przede wszystkim zmian temperatury mas powietrza, które unoszą się dzięki konwekcji. Przy braku wymiany ciepła z otoczeniem masy powietrza wznoszące się w górę ochładzają się, masy powietrza opadające na dół ocieplają się. W masach powietrza unoszących się w górę ich objętość zwiększa się, co powoduje spadek energii wewnętrznej, a więc zarazem spadek temperatury. W unoszących się w górę masach powietrza (osiadanie powietrza) zachodzi przeciwny proces, skutkujący wzrostem temperatury.

Przemiany adiabatyczne są przyczyną powstawania ciepłych wiatrów opadających, takich jak fen i wiatr halny. Wiatry te powstają na skutek przemieszczania się ciepłych mas powietrza przez grzbiety górskie.

W fizyce atmosfery rozpatrywane są dwa rodzaje procesów adiabatycznych: proces suchoadiabatyczny (powietrze suche lub nasycone małą ilością pary wodnej) oraz proces wilgotnoadiabatyczny (powietrze nasycone parą wodną). Termpo przemian adiabatycznych określa gradient adiabatyczny temperatury: gradient suchoadiabatyczny temperatury lub – w przypadku zachodzenia kondensacji pary wodnej – gradient wilgotnoadiabatyczny temperatury.