Che cos’è una trasformazione adiabatica?
Una trasformazione adiabatica è una trasformazione termodinamica nella quale il sistema
non scambia calore con l’ambiente esterno.
Questo significa che il calore non entra e non esce dal sistema. In simboli:
Poiché non c’è scambio di calore, le variazioni di energia interna del gas dipendono soltanto
dal lavoro compiuto dal gas o sul gas.
In una trasformazione adiabatica il calore scambiato è nullo, ma possono variare pressione,
volume e temperatura.
Il significato del termine adiabatica
Il termine adiabatica deriva dal greco e richiama l’idea di qualcosa che
non può essere attraversato.
Nel linguaggio della termodinamica, una parete adiabatica è una parete che non lascia passare
calore. Il sistema è quindi isolato termicamente dall’ambiente esterno.
Una trasformazione può essere considerata adiabatica in due casi principali:
Sistema isolato
Il recipiente impedisce il passaggio di calore verso l’esterno o dall’esterno verso l’interno.
Trasformazione rapida
Il processo avviene così velocemente che il calore non ha il tempo di essere scambiato.
Compressione ed espansione adiabatica
Durante una trasformazione adiabatica la temperatura del gas può cambiare anche se non viene
fornito calore dall’esterno.
Espansione adiabatica
Il gas si espande e compie lavoro sull’ambiente. La sua energia interna diminuisce e quindi
la temperatura si abbassa.
Compressione adiabatica
L’ambiente compie lavoro sul gas. L’energia interna aumenta e quindi la temperatura del gas
cresce.
La Legge di Poisson
Per un gas ideale che compie una trasformazione adiabatica reversibile vale la seguente relazione:
In questa formula P rappresenta la pressione, V il volume e
γ è il coefficiente adiabatico del gas.
Per l’aria e per molti gas biatomici, il valore di γ è circa 1,4.
Perché l’adiabatica è più ripida dell’isoterma?
Nel diagramma pressione-volume (P-V), la curva adiabatica è sempre più ripida della curva isoterma.
La ragione è legata allo scambio di calore con l’ambiente.
Trasformazione Isoterma
Durante una trasformazione isoterma la temperatura rimane costante.
Se il gas viene compresso, il lavoro compiuto sul gas viene compensato dalla cessione di calore all’ambiente, così che la temperatura rimanga costante.
La pressione aumenta, ma in modo relativamente moderato.
Trasformazione Adiabatica
Durante una trasformazione adiabatica il calore non può essere scambiato con l’ambiente.
L’energia rimane all’interno del sistema e provoca un aumento della temperatura.
La pressione cresce più rapidamente e la curva risulta più ripida.
Poiché il gas non può scambiare calore con l’esterno, la compressione adiabatica provoca un aumento della temperatura e della pressione maggiore rispetto a una compressione isoterma.
Esempio svolto
Un gas ideale si trova inizialmente alla pressione:
e occupa un volume:
Il gas viene compresso adiabaticamente fino a:
Per l’aria assumiamo:
Applichiamo la legge di Poisson:
Ricaviamo la pressione finale:
Sostituendo i valori:
Applicazioni pratiche
Le trasformazioni adiabatiche sono molto comuni sia in natura sia nella tecnologia moderna.
Pompa da bicicletta
Quando si comprime rapidamente l’aria all’interno della pompa, la temperatura aumenta sensibilmente.
Motore Diesel
La compressione adiabatica dell’aria aumenta la temperatura fino a provocare l’accensione spontanea del combustibile.
Turbine e compressori
Nei motori aeronautici si verificano continue compressioni ed espansioni adiabatiche dei gas.
Formazione delle nubi
L’aria che sale in atmosfera si espande adiabaticamente, si raffredda e può raggiungere la condensazione.
Laboratorio Interattivo — Trasformazione Adiabatica
Nel laboratorio delle trasformazioni termodinamiche seleziona la trasformazione adiabatica e osserva come pressione, volume e temperatura cambiano in assenza di scambio di calore con l’ambiente.
In sintesi
Nella trasformazione adiabatica non avviene alcuno scambio di calore con l’ambiente.
La temperatura del gas può aumentare durante la compressione oppure diminuire durante l’espansione.
Compressione → T ↑ | Espansione → T ↓
