Termodynamikk er en viktig gren av fysikk som studerer og beskriver termodynamiske systemer i likevekt eller har en tendens til det. For å kunne beskrive overgangen fra en starttilstand til en slutttilstand ved hjelp av termodynamikkens likninger, er det nødvendig å gjøre en tilnærming av en kvasi-statisk prosess. Hva er denne tilnærmingen, og hvilke typer disse prosessene er, vil vi vurdere i denne artikkelen.
Hva menes med en kvasi-statisk prosess?
Som du vet, bruker termodynamikk for å beskrive tilstanden til systemet et sett med makroskopiske egenskaper som kan måles eksperimentelt. Disse inkluderer trykk P, volum V og absolutt temperatur T. Hvis alle tre mengdene er kjent for systemet som studeres på et gitt tidspunkt, sier de at dets tilstand er bestemt.
Konseptet med en kvasi-statisk prosess innebærer en overgang mellom to tilstander. Under denne overgangen,Naturligvis endres de termodynamiske egenskapene til systemet. Hvis i hvert øyeblikk overgangen fortsetter, er T, P og V kjent for systemet, og det er ikke langt fra dets likevektstilstand, så sier vi at det oppstår en kvasistatisk prosess. Med andre ord er denne prosessen en sekvensiell overgang mellom et sett med likevektstilstander. Han antar at den ytre påvirkningen på systemet er ubetydelig slik at det rekker å raskt komme i likevekt.
Ekte prosesser er ikke kvasi-statiske, så konseptet som vurderes vil bli idealisert. For eksempel, når en gass utvides eller komprimeres, er det turbulente endringer og bølgeprosesser i den, som krever litt tid for demping. Likevel, i en rekke praktiske tilfeller, for gasser der partikler beveger seg med høy hastighet, inntrer likevekt raskt, så ulike overganger mellom tilstander i dem kan betraktes som kvasistatiske med høy nøyaktighet.
Ligning av tilstand og typer prosesser i gasser
Gass er en praktisk aggregert materietilstand for studiet i termodynamikk. Dette skyldes det faktum at for beskrivelsen er det en enkel ligning som relaterer alle tre av de ovennevnte termodynamiske størrelsene. Denne ligningen kalles Clapeyron-Mendeleev-loven. Det ser slik ut:
PV=nRT
Ved å bruke denne ligningen, alle slags isoprosesser og adiabatiske overganger oggrafer av isobar, isoterm, isochore og adiabat er konstruert. I likhet er n mengden stoff i systemet, R er en konstant for alle gasser. Nedenfor tar vi for oss alle de kjente typene kvasistatiske prosesser.
Isotermisk overgang
Det ble først studert på slutten av 1600-tallet med forskjellige gasser som eksempel. De tilsvarende eksperimentene ble utført av Robert Boyle og Edm Mariotte. Forskere kom opp med følgende resultat:
PV=const når T=const
Hvis du øker trykket i systemet, vil volumet reduseres proporsjon alt med denne økningen, hvis systemet holder en konstant temperatur. Det er lett å utlede denne loven fra tilstandsligningen selv.
Isotermen på grafen er en hyperbel som nærmer seg P- og V-aksene.
Isobariske og isokoriske overganger
Isobariske (ved konstant trykk) og isokoriske (ved konstant volum) overganger i gasser ble studert på begynnelsen av 1800-tallet. Stor fortjeneste i deres studie og oppdagelse av de relevante lovene tilhører franskmennene Jacques Charles og Gay-Lussac. Begge prosessene er matematisk representert som følger:
V/T=const når P=const;
P/T=const når V=const
Begge uttrykk følger av tilstandsligningen hvis vi setter den tilsvarende parameterkonstanten.
Vi har kombinert disse overgangene under ett avsnitt i artikkelen fordi de har samme grafiske representasjon. I motsetning til isotermen, er isobaren og isokoren rette linjer somvis direkte proporsjonalitet mellom henholdsvis volum og temperatur og trykk og temperatur.
Adiabatisk prosess
Den skiller seg fra de beskrevne isoprosessene ved at den fortsetter i fullstendig termisk isolasjon fra omgivelsene. Som et resultat av den adiabatiske overgangen ekspanderer eller trekker gassen seg sammen uten varmeveksling med omgivelsene. I dette tilfellet skjer en tilsvarende endring i dens indre energi, det vil si:
dU=- PdV
For å beskrive en adiabatisk kvasi-statisk prosess, er det viktig å kjenne til to størrelser: isobarisk CP og isokorisk CVvarmekapasitet. Verdien CP forteller hvor mye varme som må tilføres systemet slik at det øker temperaturen med 1 K under isobarisk ekspansjon. Verdien CV betyr det samme, bare for konstant volum oppvarming.
Ligningen for denne prosessen for en ideell gass kalles Poisson-ligningen. Det er skrevet i parameterne P og V som følger:
PVγ=const
Her kalles parameteren γ den adiabatiske eksponenten. Det er lik forholdet mellom CP og CV. For en monoatomisk gass γ=1,67, for en diatomisk gass - 1,4, hvis gassen dannes av mer komplekse molekyler, så γ=1,33.
Siden den adiabatiske prosessen skjer utelukkende på grunn av sine egne indre energiressurser, oppfører den adiabatiske grafen i P-V-aksene seg skarpere enn isotermgrafen(hyperbole).
