Adiabatisch proces

[Jan van Ooijen]

Adiabatisch proces

Een proces dat zonder warmte-uitwisseling met de omgeving plaats vindt, heet adiabatisch. De verzameling punten die een systeem doorloopt tijdens zo'n proces vormt een isolijn die men een adiabaat noemt. Hieronder adiabatisch proces, een praktijkvoorbeeld in de Alpen.

Wind - Fohn
De laatste dagen deed zich in de Alpen een schoolvoorbeeld voor van fohn- en stauwerking. Onder invloed van de zuidenwind was er namelijk een duidelijke tweedeling te zien op het gebied van weerbeeld en temperaturen.De zuidenwind blies namelijk vochtige lucht tegen de zuidelijke berghellingen van de Alpen. De vochtige lucht werd hierdoor gedwongen om te stijgen. Omdat het hoger in de atmosfeer kouder is vormen zich wolken. Koude lucht kan immers minder vocht bevatten en dus treedt er condensatie op. De regenwolken die ontstonden waren vervolgens de veroorzaker van flinke regen- en sneeuwval. De noordelijke hellingen van de Alpen lagen duidelijk in de regenschaduw van het gebergte. Zodra de vochtige lucht het hoogste punt had bereikt, kon de landing naar beneden worden ingezet. Bij het dalen van de lucht stijgt de temperatuur en droog de lucht verder uit. Hierdoor lossen de wolken op en is er dus veel ruimte voor de zon.

Adiabatisch proces
Dat temperaturen met de hoogteligging veranderen is bij veel mensen bekend. Minder bekend is dat de temperatuursverandering afhankelijk is van de luchtvochtigheid. Zo is het aan de voet van de Alpen aan de zuidkant frisser dan aan de noordkant van het gebergte. Dit verschil wordt veroorzaakt door een proces dat in de meteorologie adiabatisch temperatuurverval wordt genoemd. We maken hierbij onderscheid tussen nat-adiabatisch temperatuurverval en droog-adiabatisch temperatuurverval.

We beginnen met de eerste. Dit proces speelt zich af in het zuiden van de Alpen. Hier stijgen pakketjes met vochtige lucht,  waardoor deze afkoelen en condenseren. Bij deze condensatie komt warmte vrij en deze warmte komt ten goede aan het pakketje lucht. Hierdoor is de afkoeling minder sterk, gemiddeld 0,6 graden per 100 meter. Bij het droog-adiabatisch proces aan de noordzijde van de Alpen komt deze warmte bij het condenseren niet vrij. Sterker nog, het verdampingsproces, ofwel oplossen van de bewolking, kost eerder warmte. Hierdoor is het temperatuurverval ook veel groter: 1 meter per 100 meter.

Een rekenvoorbeeld
Deze adiabatische processen zijn ook de verklaring voor de temperatuursverschillen in de Alpen. Neem nou station Waidhoven aan de noordkant van de Alpen. Voor het gemak ronden we de hoogteligging van dit station af op 500 meter. Hier werd afgelopen dinsdag (afgerond) een temperatuur van 25 graden bereikt. Een bergtop ten zuiden van dit meetstation ligt op ongeveer 3.500 meter hoogte. Om de temperatuur te berekenen moeten we aan deze kant van de Alpen uitgaan van een droog-adiabatisch temperatuurverval. Het hoogteverschil is 3000 meter. Per 100 meter daalt de temperatuur met 1 graden. 30 x 1 = 30 graden temperatuursverschil. Hierdoor is de temperatuur op de top van deze berg 25 a 30 = -5 graden.

Aan de zuidzijde van de Alpen liggen ook meetstations. Om de temperatuur te berekenen van een meetstation op een hoogte van 0 meter moeten we, vanwege de regen, uitgaan van nat-adiabatisch temperatuurverval. Dit betekent dus 0,6 graden per 100 meter. Het hoogteverschil is 3.500 meter, dus 35 x 0,6 is 21 graden. -5 + 21 = een temperatuur van 16 graden aan de voet van deze berg, zoals bijvoorbeeld in Ljubljana (Slovenie) gemeten is.


_{Grafiek van een adiabatisch proces}

Andere voorbeelden:
Wanneer een exotherm proces adiabatisch wordt uitgevoerd, neemt de temperatuur van het systeem toe. Als voorbeeld: wanneer men methaan (aardgas) in de juiste hoeveelheid lucht verbrandt zonder de warmte die daarbij vrijkomt aan de omgeving af te staan wordt de hoogst mogelijke temperatuur bereikt: de energie die vrijkomt bij de verbranding wordt alleen gebruikt om de aanwezige gassen te verwarmen. Deze temperatuur noemt men de adiabatische vlamtemperatuur van methaan in lucht. Wanneer men methaan in zuivere zuurstof verbrandt is de adiabatische vlamtemperatuur nog hoger, omdat dan geen inert stikstofgas (dat niet deelneemt aan de reactie) hoeft te worden opgewarmd.

Omgekeerd geldt dat wanneer een endotherm proces adiabatisch wordt uitgevoerd, de temperatuur van het systeem afneemt. Een voorbeeld hiervan is de werking van een koelkast waarbij een samengeperst gas door een vernauwing expandeert. De temperatuur van het gas neemt daarbij af. Zoals in het laatste experiment duidelijk is, hoeft men soms weinig moeite te doen om een systeem van de buitenwereld te isoleren. Wanneer een proces zeer snel plaatsvindt, is er geen tijd om warmte met de omgeving uit te wisselen, en is het proces in eerste benadering adiabatisch. Zo kan de arbeidsslag in een verbrandingsmotor prima adiabatisch worden beschreven.

Een tegengestelde van een adiabatisch proces is een proces waarbij de warmte-uitwisseling met de omgeving ervoor zorgt dat de temperatuur tijdens het proces niet verandert. Dit heet een isotherm proces. Veel cyclische processen die in de techniek worden gebruikt bevatten zowel adiabatische als isotherme onderdelen. In de praktijk verlopen toestandsveranderingen noch volkomen adiabatisch, noch volkomen isotherm, maar liggen de toestandsveranderingen tussen de twee in. Dit noemt men dan polytrope toestandsveranderingen