Eine adiabatische oder adiabateSchreibweise wie in Abschnitt 4.4 von Bošnjaković/Knoche: Technische Thermodynamik, Teil 1. 8. Auflage. Steinkopff-Verlag, Darmstadt 1998.Schreibweise wie in Abschnitt 3.3.4, Cornel Stan: Thermodynamik des Kraftfahrzeugs. 2. Auflage. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-27629-3. Zustandsänderung ( und diabaínein ‚hindurchgehen‘) ist ein thermodynamischer Vorgang, bei dem ein System von einem Zustand in einen anderen überführt wird, ohne Wärme mit seiner Umgebung auszutauschen. In diesem Sinne werden adiabat und „wärmedicht“ synonym verwendet.Siehe Abschnitt 2.1 „Wärmeübergang“ in Bošnjaković/Knoche: Technische Thermodynamik, Teil 1. 8. Auflage. Steinkopff-Verlag, Darmstadt 1998. Die Eigenschaft eines solchen Systems, keine Wärme mit der Umgebung auszutauschen, wird Adiabasie genannt. Im Gegensatz dazu wird bei diabatischen und diathermenPeter Stephan, Karlheinz Schaber, Karl Stephan, Franz Mayinger: Thermodynamik: Grundlagen und technische Anwendungen Band 1: Einstoffsysteme, S. 526, Springer-Verlag Prozessen Wärme mit der Umgebung ausgetauscht (siehe etwa: Isotherme Zustandsänderung).
Adiabatische Zustandsänderungen, bei welchen vom Anfang bis zum Ende der Änderung zu jedem Zeitpunkt das System nahezu im thermodynamischen Gleichgewicht ist, werden quasistatisch genannt, ihr Verlauf lässt sich durch eine Kurve im Zustandsraum darstellen. Wird die quasistatische Zustandsänderung allein durch die Veränderung von äußeren Parametern des Systems verursacht, dann werden diese Kurven Adiabaten genannt. Äußere Parameter sind dabei Größen, die die äußeren Nebenbedingungen des thermodynamischen Systems beschreiben, wie etwa das Volumen des Systems oder die Komponenten der magnetischen Feldstärke eines äußeren Magnetfeldes.
Gedankenexperimente mit adiabatischen Zustandsänderungen sind grundlegend für die Ermittlung der Postulate der Thermodynamik. Sie liefern den Zusammenhang zwischen der an einem System geleisteten Arbeit und der inneren Energie des Systems. Der in der Literatur der Thermodynamik oft genutzte Carnotsche Kreisprozess beinhaltet die adiabatische Kompression und Expansion des Arbeitsgases. Bei dem axiomatischen Aufbau der Thermodynamik sind adiabatische Zustandsänderungen von zentraler Bedeutung. Die Bedingungen für adiabatische Zustandsänderungen werden in der Praxis nie ganz erreicht. Jedoch liefert diese Idealisierung für viele reale Vorgänge brauchbare bis gute Beschreibungen: etwa für schnell ablaufende Vorgänge, bei denen die Zeit für einen Temperaturausgleich nicht ausreicht, oder für Änderungen von Systemen in besonders wärmeisolierenden Behältern.
Geschichte
Der Begriff der adiabatischen Zustandsänderung entwickelte sich zusammen mit der Gas- und Wärmetheorie im 19. Jahrhundert.
Die Berechnung der Schallgeschwindigkeit in Luft regte Pierre Simon Laplace und andere zu ersten Untersuchungen von adiabatischen Zustandsänderungen bei Gasen an. Im Jahre 1802 führte er eine zu klein berechnete Schallgeschwindigkeit darauf zurück, dass bei der schnellen Expansion und Kompression von Luft kein Temperaturausgleich stattfindet und das Gesetz von Boyle-Mariotte, , hier nicht zutrifft. Im Jahre 1802 publizierte Jean-Baptiste Biot und im Jahre 1808 Siméon Denis Poisson Berechnungen zu Temperaturänderungen bei der adiabatischen Kompression in Schallwellen. In dieser Zeit wurden auch erste ausführliche Messungen der spezifischen Wärmekapazitäten von Gasen ausgeführt. Charles-Bernard Desormes und Nicolas Clément-Désormes publizierten 1819 für Luft erste Messwerte des Verhältnisses der Wärmekapazität bei konstantem Druck zu der bei konstantem Volumen, . Im Jahre 1823 berechnete Poisson mit diesem Wert und einer Theorie von Laplace die Schallgeschwindigkeit.
Im Jahre 1823 argumentierte Poisson mittels adiabatischer Volumenänderungen für ein Verständnis von Wärme als einer Zustandsfunktion. 1824 benutzte Nicolas Léonard Sadi Carnot in seiner Arbeit Réflexions sur la puissance motrice du feu adiabatische Zustandsänderungen, um den Arbeitsstoff seiner idealen Wärmekraftmaschine zwischen den beiden Wärmereservoirs zu bewegen.
Im Jahre 1850 publizierte James Prescott Joule seine Messungen bei adiabatischen Zustandsänderungen mit Reibungsarbeit zur Bestimmung des Wärmeäquivalents.
Die Bezeichnung adiabatisch für Zustandsänderung ohne Wärmetransfer findet sich ab der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts in der Literatur, so spricht William John Macquorn Rankine in der Arbeit On the theory of explosive gas engines 1866 von adiabatic curves.
Der Mathematiker Constantin Carathéodory publizierte 1909 eine Arbeit über eine axiomatische Grundlegung der Thermodynamik. In dieser Arbeit haben adiabatische Zustandsänderungen in einfachen thermodynamischen Systemen eine zentrale Bedeutung. In einer Arbeit zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und der Entropie von 1999 nutzten Lieb und Yngvason adiabatische Zustandsänderungen zur Definition der Relation der adiabatischen Erreichbarkeit im thermodynamischen Zustandsraum.
Beispiele
Unter der in der Einleitung gegebenen Definition der adiabatischen Zustandsänderung fallen sehr viele Arten thermodynamischer Vorgänge, so auch solche, die nicht quasistatisch verlaufen. Beim Lesen verschiedener Lehrbücher kann ein anderer Eindruck entstehen, da dort oft adiabatische Zustandsänderungen nur im Zusammenhang mit quasistatischen Vorgängen an einfachen Systemen betrachtet werden.
Nach Definition darf bei einer adiabatischen Zustandsänderung dem thermodynamischen System Energie nur mittels mechanischer, elektrischer oder magnetischer Arbeit zu- oder von ihm abgeführt werden, gegen Wärmeströme jeglicher Form muss das System isoliert sein; es darf im Idealfall keine Wärmeleitung, keine konvektive Wärmeübertragung und keine Wärmestrahlung zwischen dem System und der Außenwelt geben.
In der Realität ist eine vollständige Wärmeisolation nicht erreichbar, aber reale Vorgänge können in guter Näherung adiabatisch ablaufen, wenn sie in einem gut isolierenden Behälter stattfinden, etwa in einem Dewargefäß oder einem adiabatischen Kalorimeter, die Zustandsänderung so schnell verläuft, dass in der kurzen Zeit wenig Wärme zu- oder abfließen kann (z. B. in einem Verbrennungsmotor, bei einer Luftpumpe oder bei der Schallausbreitung) oder das Volumen des Systems sehr groß ist, so dass Wärmeströme an seinem Rand praktisch keine Rolle spielen (z. B. bei thermisch aufsteigenden Luftpaketen).
Kompression und Expansion von Gasen
Die Kompression der Luft in einer Luftpumpe ist näherungsweise eine adiabatische Zustandsänderung. Die Arbeit, die an der Pumpe verrichtet wird, erhöht die innere Energie der Luft, und damit steigt auch die Temperatur der Luft. Bei schneller wiederholter Kompression, etwa beim Aufpumpen eines Fahrradreifens, ist die Temperaturerhöhung an der Pumpe gut fühlbar. Die zusätzliche innere Energie wird in der Umgangssprache auch Kompressionswärme oder Verdichtungswärme genannt.
mini|Nebelbildung im Unterdruckbereich der Tragflächen eines Flugzeuges Bei einem pneumatischen Feuerzeug wird Luft schnell auf weniger als ein Zwanzigstel ihres ursprünglichen Volumens komprimiert. Die Luft wird dabei so heiß, dass der eingelagerte Zunder erglimmt und damit dann ein Feuer entfacht werden kann.
Wird umgekehrt bei einer Ausdehnung eines Luftvolumens innere Energie in Volumenarbeit gewandelt, so fällt die Temperatur des expandierenden Gases. Bekannt ist die Abkühlung von Luftmassen beim thermischen Auftrieb oder beim Aufsteigen an Gebirgsrändern. Auch auf der Oberseite von Tragflächen von Verkehrsflugzeugen tritt eine adiabatische Expansion und damit eine Abkühlung der Luft auf, siehe Dynamischer Auftrieb. Die Abkühlung wird sichtbar, wenn die mit der Temperatur sinkende Sättigungskonzentration unter die vorhandene Luftfeuchtigkeit fällt und es zur Wolken- oder Nebelbildung kommt.
mini|hochkant|alternativtext=Kurzzeitfotografie: öffnen einer Sektflasche, Korken beim Abflug|Kohlendioxid expandiert adiabatisch beim Öffnen einer Sektflasche und kühlt dabei unter Bildung einer kleinen Nebelwolke die umgebende Luft ab.Artikel von Klaus Roth (mehrere Veröffentlichungsvarianten):Klaus Roth: Sekt, Champagner & Co. So prickelnd kann Chemie sein in Chemie unserer Zeit 8. Dezember 2009: Vol. 43, Issue 6, S. 418–432, doi:10.1002/ciuz.200900520 Klaus Roth: Chemische Köstlichkeiten, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2010, ISBN 978-3-527-32752-2, S. 47
Beim vorsichtigen Entkorken einer auf 6 °C gekühlten Sektflasche expandiert das über der Flüssigkeit im Flaschenhals bei 4,5 bar eingeschlossene Kohlendioxid adiabatisch auf den Umgebungsdruck von 1 bar. Dabei kühlt das Gas sich ab. Das dann bis zu −75 °C kalte Kohlendioxid vermischt sich mit der Umgebungsluft der Flaschenöffnung, dort fällt dann die Temperatur unter den Taupunkt und damit kondensiert das in der Luft vorhandene gasförmige Wasser (Feuchte) zu feinen Wassertröpfchen und sogar Eiskristallen, die aufgrund der Mie-Streuung des Lichts als kleine weißgraue Wolke sichtbar werden – siehe Bild. Wird eine zimmerwarme (20 °C) Sektflasche vorsichtig entkorkt, so beträgt der Gasdruck in der geschlossenen Flasche sogar um 7 bar und das Kohlendioxid kühlt sich adiabatisch auf fast −90 °C ab, was zur Bildung von Trockeneis-Partikeln im und über dem Flaschenhals führen kann, sichtbar durch die anfangs blaue Farbe aufgrund der Rayleigh-Streuung. Eine detaillierte thermodynamische Untersuchung des Entkorkens von Sektflaschen wurde von G. Liger-Belair und Mitarbeiter durchgeführt.
Auch bei dem Gay-Lussac-Versuch handelt es sich um eine adiabatische Zustandsänderung. Bei der Expansion des Gases wird allerdings keine innere Energie in äußere Arbeit umgewandelt. Der Vorgang verläuft nicht quasistatisch, nur am Anfang und Ende ist das System in einem thermodynamischen Gleichgewicht. Ideale Gase ändern dabei ihre Temperatur nicht.
Reibung
Es ist eine adiabatische Zustandsänderung, wenn an einem thermisch isolierten System Reibungsarbeit geleistet wird und sich das System zu Beginn und am Ende des Arbeitsprozesses im thermodynamischen Gleichgewicht befindet. mini|Joules Versuchsaufbau zur Bestimmung des Wärmeäquivalents
Die Versuchsdurchführung in dem klassischen Experiment zur Bestimmung des Wärmeäquivalents durch James Prescott Joule ist ein derartiger Prozess. Das System von Joule bestand aus einem Kupferbehälter mit Wasser und einem integrierten Rührwerk. Über das Rührwerk und einer Vorrichtung mit Gewichten wurde eine genau messbare mechanische Arbeit in innere Energie des Systems (vor allem Wasser) verwandelt. Joule hat die Temperatur vor und nach der Reibungsarbeit gemessen. In seinem Versuchsbericht von 1850 geht er auch auf seine Vorkehrungen zur thermischen Isolierung des Systems ein.
An Stelle einer definierten Menge mechanischer Arbeit kann auch eine gemessene Menge elektrischer Arbeit an einem System geleistet werden, um etwa die Wärmekapazität einer Substanz zu bestimmen. Das Rührwerk wird dabei durch eine elektrische Heizung ersetzt; das thermodynamische System besteht aus einem Behälter, der Substanz und der Heizung. Zur thermischen Isolation befindet sich das System am besten in einem Dewargefäß oder einem adiabatischen Kalorimeter. Wenn sich vor und nach dem Einbringen der elektrischen Energie das System im thermodynamischen Gleichgewicht befindet, handelt es sich um eine adiabatische Zustandsänderung.
Elektrochemische Zelle