În termodinamică un perete adiabatic situat între două sisteme termodinamice nu permite trecerea căldurii sau a substanțelor chimice prin el; cu alte cuvinte, nu are loc niciun schimb de căldură sau de masă.

În studiile teoretice se presupune uneori că unul dintre cele două sisteme constituie mediul înconjurător al celuilalt. Se presupune apoi că lucrul mecanic schimbat cu mediul înconjurător este reversibil, însă termodinamica nu presupune că lucrul mecanic efectuat în interiorul sistemului este reversibil. Ipoteza reversibilității în mediul înconjurător are drept consecință faptul că mărimea lucrului mecanic schimbat este bine definită prin intermediul variabilelor macroscopice ale mediului înconjurător. Prin urmare, se spune uneori că mediul înconjurător dispune de o sursă de lucru mecanic reversibil.

Alături de conceptul de perete adiabatic, există și cel de incintă adiabatică. Este foarte posibil ca un sistem să aibă unii pereți de delimitare adiabatici, iar alții nu. Atunci când unii pereți nu sunt adiabatici, sistemul nu este adiabatic, deși prin pereții adiabatici poate avea loc un schimb adiabatic de energie sub formă de lucru mecanic.

Incinta adiabatică este importantă deoarece, potrivit unui autor des citat, Herbert Callen, „o condiție prealabilă esențială pentru măsurabilitatea energiei este existența unor pereți care nu permit schimbul de energie sub formă de căldură”.Callen, H.B. (1960/1985), p. 16. În termodinamică se obișnuiește să se presupună a priori existența fizică a incintelor adiabatice, deși nu este uzual ca această ipoteză să fie desemnată separat drept axiomă sau principiu.

Conceptul de incintă adiabatică Definiția schimbului de căldură În termodinamica teoretică diverși autori au abordări diferite în ceea ce privește definirea cantității de căldură schimbată. Există două curente principale de gândire. Primul pornește de la o perspectivă predominant empirică (denumită aici „curentul termodinamic”) și definește schimbul de căldură ca având loc exclusiv prin mecanisme macroscopice specificate. Această abordare este mai veche din punct de vedere istoric. Cel de-al doilea (denumit aici „curentul mecanicist”) pornește de la o perspectivă predominant teoretică și definește căldura ca o mărime reziduală, determinată după ce în cadrul unui proces au fost stabilite schimburile de energie sub formă de lucru mecanic macroscopic între două corpuri sau sisteme închise, astfel încât să se respecte principiul conservării energiei (principiul întâi al termodinamicii) pentru sistemele închise. Această abordare a luat amploare în secolul al XX-lea, deși se manifestase parțial încă din secolul al XIX-lea.Bailyn, M. (1994), p. 79.

Curentul de gândire termodinamic În cadrul curentului de gândire termodinamic mecanismele de schimb de căldură identificate sunt conducția și radiația termică. Aceste mecanisme presupun recunoașterea conceptului de temperatură. În acest scop este suficientă temperatura empirică, deși poate fi utilizată și temperatura absolută. În această abordare, cantitatea de căldură este definită în primul rând prin intermediul calorimetriei.Maxwell, J.C. (1871), Chapter III.Planck, M. (1897/1903), p. 33.Kirkwood & Oppenheim (1961), p. 16.Beattie & Oppenheim (1979), Section 3.13.

Deși definiția pe care o oferă diferă de cea a curentului de gândire mecanicist, curentul de gândire empiric presupune, totuși, existența incintelor adiabatice. El le definește prin intermediul conceptelor de căldură și temperatură. Aceste două concepte sunt coerente între ele, în sensul că apar simultan în descrierea experimentelor de schimb de energie sub formă de căldură.

Curentul de gândire mecanicist În abordarea mecanicistă a schimbului de energie între două corpuri sau sisteme închise, căldura schimbată este definită ca o cantitate reziduală de energie schimbată, determinată după stabilirea energiei schimbate sub formă de lucru mecanic, pe baza legii conservării energiei și fără a face apel la conceptul de temperatură.Bryan, G.H. (1907), p. 47.Carathéodory, C. (1909).Born, M. (1921).Guggenheim, E.A. (1965), p. 10.Buchdahl, H.A. (1966), p. 43.Haase, R. (1971), p. 25. Elementele principale ale teoriei subiacente sunt: Existența unor stări de echilibru termodinamic, determinabile prin exact o variabilă de stare în plus (numită variabilă de nedeformare) față de numărul variabilelor independente de lucrul mecanic (deformare). Faptul că o stare de echilibru termodinamic intern a unui corp posedă o energie internă bine definită, aspect postulat de principiul întâi al termodinamicii. Universalitatea legii conservării energiei. Recunoașterea lucrului mecanic drept o formă de schimb de energie. Ireversibilitatea universală a proceselor naturale. Existența incintelor adiabatice. Existența unor pereți permeabili doar pentru căldură.

Prezentările axiomatice ale acestui curent de gândire au mici variații, însă urmăresc să evite noțiunile de căldură și de temperatură în axiomele lor. Este esențial pentru acest curent de gândire faptul de a nu se presupune căldura ca fiind măsurabilă prin calorimetrie. De asemenea, este esențial ca, pentru specificarea stării termodinamice a unui corp sau sistem închis, pe lângă variabilele de stare numite variabile de deformare, să existe exact o variabilă de stare suplimentară cu valori reale, numită variabilă de nedeformare, care însă nu trebuie recunoscută axiomatic drept temperatură empirică, chiar dacă îndeplinește criteriile pentru a fi considerată astfel.

Descrieri ale peretelui adiabatic Buchdahl, Callen și Haase nu menționează transmiterea radiației, fie ea termică sau coerentă, prin pereții adiabatici în abordarea lor. Carathéodory discută în mod explicit probleme legate de radiația termică, care este incoerentă, și probabil nu era la curent cu posibilitatea practică a luminii laser, care este coerentă. În 1909, Carathéodory afirmă că lasă astfel de chestiuni fără răspuns.

În cadrul curentului de gândire termodinamic, pentru definirea unui perete adiabatic noțiunea de temperatură empirică este presupusă în mod corelat în noțiunea de schimb de căldură.Planck. M. (1897/1903).

În cadrul curentului de gândire mecanic, modul exact în care este definit peretele adiabatic este important.

În expunerea lui Carathéodory, este esențial ca definiția peretelui adiabatic să nu depindă în niciun fel de noțiunile de căldură sau temperatură. Acest lucru se realizează printr-o formulare atentă și prin referirea la schimbul de energie exclusiv sub formă de lucru mecanic. Buchdahl procedează cu aceeași grijă. Totuși, Carathéodory postulează în mod explicit existența unor pereți permeabili doar pentru căldură, adică impermeabili pentru lucru mecanic și substanță, totuși permeabili pentru energie într-un mod nespecificat. S-ar putea deduce că această căldură reprezintă energie schimbată prin pereți permeabili doar pentru căldură și că astfel de pereți există ca elemente primitive postulate, dar nedefinite.

În prezentarea lui Callen, des citată, conceptul de perete adiabatic este introdus ca limită a unui perete cu conductibilitate termică scăzută. Deși Callen nu menționează explicit temperatura în acest context, el analizează un experiment care implică topirea gheții care se desfășoară într-o zi de vară – situație în care, după cum ar putea deduce cititorul, temperatura mediului ambiant ar fi ridicată. Totuși, atunci când formulează o definiție riguroasă, Callen nu recurge la această explicație introductivă. În cele din urmă el definește incinta adiabatică în maniera lui Carathéodory: o incintă care permite schimbul de energie exclusiv sub formă de lucru mecanic și nu permite schimbul de substanță. Prin urmare, el definește căldura drept energia schimbată prin frontiera unui sistem închis pe o altă cale decât cea a lucrului mecanic.

După cum au sugerat, de exemplu, Carathéodory și Callen, exemplul tipic de perete adiabatic este cel al unui vas Dewar. Vasul Dewar are pereți rigizi. Totuși, Carathéodory impune ca pereții săi adiabatici să fie imaginați ca fiind flexibili, iar presiunile exercitate asupra acestora să fie reglate și controlate din exterior astfel încât pereții să nu se deformeze, cu excepția cazului în care are loc un proces ce implică schimbul de lucru mecanic prin intermediul pereților. Lucrul mecanic la care se referă Carathéodory este cel de tip presiune–volum. O altă lucrare menționează azbestul și fibra de sticlă drept exemple adecvate de materiale care pot constitui un perete adiabatic practic.Reif, F. (1965), p. 68.

Astfel, curentul de gândire mecanic consideră proprietatea incintei adiabatice de a nu permite schimbul de căldură prin pereții săi drept o deducție din axiomele termodinamicii formulate de Carathéodory.

Note

Bibliografie Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, . Beattie, J.A., Oppenheim, I. (1979). Principles of Thermodynamics, Elsevier, Amsterdam, . Born, M. (1921). Kritische Betrachtungen zur traditionellen Darstellung der Thermodynamik, Physik. Zeitschr. 22: 218–224. Bryan, G.H. (1907). Thermodynamics. An Introductory Treatise dealing mainly with First Principles and their Direct Applications, B.G. Teubner, Leipzig. Buchdahl, H.A. (1957/1966). The Concepts of Classical Thermodynamics, Cambridge University Press, London. Callen, H.B. (1960/1985). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, second edition, John Wiley & Sons, New York, . A translation may be found here . A partly reliable translation is to be found at Kestin, J. (1976). The Second Law of Thermodynamics, Dowden, Hutchinson & Ross, Stroudsburg PA.

Haase, R. (1971). Survey of Fundamental Laws, chapter 1 of Thermodynamics, pages 1–97 of volume 1, ed. W. Jost, of Physical Chemistry. An Advanced Treatise, ed. H. Eyring, D. Henderson, W. Jost, Academic Press, New York, lcn 73–117081. Kirkwood, J.G., Oppenheim, I. (1961). Chemical Thermodynamics, McGraw–Hill, New York.

Categorie:Termodinamică