Un procés adiabàtic és un fenomen en què un sistema no intercanvia calor amb el seu entorn. En lloc de la transferència de calor, qualsevol canvi en lenergia interna del sistema es tradueix en treball.
Encara que és difícil trobar exemples a la natura completament adiabàtics, hi ha nombrosos casos pràctics on es poden considerar aproximacions adiabàtiques.
A continuació, s'expliquen alguns exemples de processos adiabàtics que tenen lloc a la vida quotidiana, la indústria i en certs fenòmens naturals.
1. Compressió ràpida en motors de combustió interna
Un dels exemples més comuns de processos adiabàtics a l'enginyeria és la compressió ràpida que passa en un motor de combustió interna, com els motors de gasolina o dièsel. Durant el cicle de funcionament del motor, el pistó comprimeix ràpidament una barreja d'aire i combustible al cilindre. Aquest procés és tan ràpid que no hi ha prou temps perquè es transfereixi calor entre el gas i les parets del cilindre, per la qual cosa la compressió pot aproximar-se com a adiabàtica.
La compressió de la barreja augmenta la pressió i la temperatura del gas sense l'entrada o la sortida de calor. Aquest augment en la temperatura és crucial perquè, en els motors dièsel, per exemple, és el que provoca que el combustible s'autoencengui en injectar-se a la cambra de combustió. Als motors de gasolina, l'espurna generada per la bugia encén la barreja, completant el cicle de combustió.
2. Expansió en una turbina de gas
Un altre exemple al camp de l'enginyeria és l'expansió de gasos en una turbina de gas, com les utilitzades en avions o plantes d'energia. En una turbina de gas, l'aire comprimit i escalfat per la combustió s'expandeix a través de les pales de la turbina, fent feina en fer girar les pales i generar energia.
Aquest procés dexpansió passa molt ràpidament, per la qual cosa la transferència de calor entre els gasos i les pales de la turbina és mínima. Per tant, es pot considerar un procés adiabàtic. L'expansió adiabàtica permet la conversió eficient de l'energia del gas en treball mecànic, que després es pot fer servir per moure un avió o generar electricitat.
3. El cicle de Carnot
El cicle de Carnot és un model teòric que descriu el cicle més eficient possible per a una màquina tèrmica. Tot i que és un concepte idealitzat, ajuda a comprendre els límits d'eficiència als motors tèrmics. El cicle de Carnot inclou dos processos adiabàtics: una expansió adiabàtica i una compressió adiabàtica.
Durant l'expansió adiabàtica, el gas s'expandeix i fa feina sobre l'entorn sense intercanviar calor. Com a resultat, l'energia interna del gas disminueix, cosa que en redueix la temperatura. En la compressió adiabàtica, el gas és comprimit sense intercanviar calor, cosa que incrementa la seva temperatura. Aquests processos il·lustren com és possible, en un cicle ideal, maximitzar l'eficiència a través de la reversibilitat i l'absència de pèrdues de calor.
Encara que cap motor real funciona exactament com el cicle de Carnot, aquest cicle proporciona un límit superior teòric a leficiència de qualsevol màquina tèrmica, i els enginyers lutilitzen com una referència per millorar el disseny de motors i altres dispositius tèrmics.
4. L'ascens adiabàtic de l'aire a l'atmosfera
Un exemple natural d'un procés adiabàtic és l'ascens de l'aire a l'atmosfera terrestre. Quan una massa d'aire puja a l'atmosfera, experimenta una disminució de pressió a causa de la disminució de la pressió atmosfèrica a altituds més grans. A mesura que disminueix la pressió sobre la massa d'aire, aquesta s'expandeix.
En aquest cas, el procés d'expansió de l'aire es pot aproximar com a adiabàtic perquè la transferència de calor amb l'entorn és mínima. A mesura que l'aire s'expandeix, la temperatura disminueix. Aquest fenomen es coneix com a refredament adiabàtic i és responsable de diversos processos meteorològics, com la formació de núvols i la pluja.
En el cas oposat, quan l'aire baixa a l'atmosfera, es comprimeix a causa de l'augment de la pressió. Aquesta compressió provoca un augment en la temperatura de l'aire, un fenomen conegut com a escalfament adiabàtic. Aquest efecte és el que s'observa en fenòmens com el vent Föhn, on l'aire càlid i sec baixa pel vessant d'una muntanya després d'haver perdut la humitat en pujar i refredar-se a l'altre vessant.
5. L'expansió ràpida en un sistema de refrigeració
Els sistemes de refrigeració, com ara els refrigeradors i els aires condicionats, també utilitzen processos adiabàtics en el seu funcionament. En aquests sistemes, el refrigerant se sotmet a cicles de compressió i expansió per extreure calor d'un espai i mantenir-lo fred.
Quan el refrigerant comprimit s'allibera mitjançant una vàlvula d'expansió, s'expandeix ràpidament i es refreda en un procés que es pot considerar adiabàtic a causa de la rapidesa de l'expansió. Aquesta ràpida caiguda a la temperatura permet que el refrigerant absorbeixi calor de l'espai interior de la nevera o de l'ambient que es vol refredar.
6. El tret d'una arma de foc
El tret d'una arma de foc és un altre exemple d'un procés adiabàtic que passa en poc temps. Quan s'acciona el gallet, la pólvora o el combustible contingut al cartutx es crema, generant una ràpida expansió de gasos. Aquesta expansió passa en un interval de temps tan curt que no hi ha transferència significativa de calor amb l'entorn, cosa que el converteix en un procés adiabàtic.
A mesura que els gasos s'expandeixen, empenyen la bala a través del canó de l'arma. Durant aquest procés, lenergia interna dels gasos es converteix en treball per propulsar la bala, amb una petita pèrdua de calor.
El procés d'expansió i la propulsió consegüent del projectil és un exemple interessant de com la termodinàmica adiabàtica juga un paper en els sistemes d'alta velocitat i alta energia.
7. Implosions controlades en enginyeria civil
Les implosions controlades, sovint utilitzades en enginyeria civil per demolir edificis de grans dimensions de manera segura i eficient, també poden incloure un procés adiabàtic. Durant una explosió controlada, els explosius detonen, generant una ràpida expansió de gasos dins una estructura confinada. El ràpid augment en la pressió dels gasos és un procés que pot ser adiabàtic perquè lalliberament denergia passa en una fracció de segon.
L'augment de pressió i el col·lapse subsegüent de l'estructura es deuen a l'expansió adiabàtica dels gasos dins de l'estructura.
8. Fenòmens estel·lars: les nebuloses i les estrelles en formació
Al camp de l'astrofísica, molts processos adiabàtics juguen un paper crucial en l'evolució de les estrelles i altres estructures còsmiques. Un exemple és la formació d'estrelles a partir de nebuloses, enormes núvols de gas i pols a l'espai.
Quan una regió d'una nebulosa comença a col·lapsar a causa de la gravetat, el gas es comprimeix. Durant aquest procés, si la densitat és prou alta, la transferència de calor cap a l'exterior es fa insignificant, i el col·lapse del gas es pot considerar adiabàtic. A mesura que el gas es comprimeix, la seva temperatura augmenta, i aquesta compressió adiabàtica continua fins que s'assoleixen les condicions necessàries per a la fusió nuclear, donant origen a una nova estrella.
Aquest fenomen també passa en altres etapes de la vida d'una estrella. Per exemple, quan una estrella massiva col·lapsa al final de la seva vida, la compressió ràpida del material al nucli pot ser un procés adiabàtic que condueix a la formació d'una supernova o forat negre.
9. Expansió i compressió en sistemes pneumàtics
Els sistemes pneumàtics, que utilitzen aire comprimit per realitzar treball mecànic, també són un bon exemple de processos adiabàtics a la indústria. Quan l'aire comprimit en un tanc s'allibera ràpidament a través d'una vàlvula per moure un pistó o accionar una eina, el procés es pot aproximar com a adiabàtic, ja que l'expansió de l'aire passa de manera sobtada.
Aquest fenomen és similar en alguns aspectes a lexpansió de gasos en una turbina, però a una escala menor. L'aire comprimit fa feina sense intercanviar calor amb l'entorn, i la temperatura de l'aire disminueix durant l'expansió. En la compressió de l'aire per emmagatzemar-lo en un tanc, ocorre un procés adiabàtic invers, on la temperatura de l'aire augmenta a causa de la compressió ràpida.
10. L'experiment del pistó
Un clàssic experiment que es realitza a laboratoris per demostrar un procés adiabàtic és l'anomenat “experiment del pistó”. En aquest experiment, es col·loca gas en un cilindre amb un pistó que es pot moure cap amunt o cap avall. Quan el pistó es comprimeix ràpidament, el gas a l'interior augmenta la pressió i la temperatura sense permetre que es transfereixi calor a l'entorn.
Aquest experiment mostra de manera senzilla com funciona un procés adiabàtic en un sistema tancat. És útil per demostrar la relació entre pressió, volum i temperatura i per il·lustrar com es conserven les lleis de la termodinàmica en absència d'intercanvi de calor.