Termodynamika jest ważną gałęzią fizyki, która bada i opisuje układy termodynamiczne w równowadze lub dążeniu do niej. Aby móc opisać przejście od pewnego stanu początkowego do stanu końcowego za pomocą równań termodynamiki, konieczne jest dokonanie aproksymacji procesu quasi-statycznego. Czym jest to przybliżenie i jakie są rodzaje tych procesów, rozważymy w tym artykule.
Co oznacza proces quasi-statyczny?
Jak wiecie, termodynamika do opisu stanu systemu wykorzystuje zestaw cech makroskopowych, które można zmierzyć eksperymentalnie. Należą do nich ciśnienie P, objętość V i temperatura bezwzględna T. Jeżeli wszystkie trzy wielkości są znane dla badanego układu w danym momencie, to mówią, że jego stan został określony.
Koncepcja procesu quasi-statycznego zakłada przejście między dwoma stanami. Podczas tego przejściaOczywiście zmieniają się właściwości termodynamiczne układu. Jeżeli w każdym momencie, w którym zachodzi przemiana, T, P i V są znane dla układu i nie jest on daleki od stanu równowagi, to mówimy, że zachodzi proces quasi-statyczny. Innymi słowy, proces ten jest sekwencyjnym przejściem między zbiorem stanów równowagi. Zakłada, że zewnętrzny wpływ na system jest znikomy, aby miał czas na szybkie dojście do równowagi.
Prawdziwe procesy nie są quasi-statyczne, więc rozważana koncepcja zostanie wyidealizowana. Na przykład podczas rozprężania lub sprężania gazu zachodzą w nim turbulentne zmiany i procesy falowe, które wymagają pewnego czasu na ich wytłumienie. Niemniej jednak, w wielu praktycznych przypadkach, dla gazów, w których cząstki poruszają się z dużymi prędkościami, równowaga zachodzi szybko, więc różne przejścia między stanami w nich mogą być uważane z dużą dokładnością za quasi-statyczne.
Równanie stanu i rodzajów procesów w gazach
Gaz jest dogodnym stanem skupienia materii do badań termodynamiki. Wynika to z faktu, że do jego opisu służy proste równanie, które wiąże wszystkie trzy powyższe wielkości termodynamiczne. To równanie nazywa się prawem Clapeyrona-Mendeleeva. Wygląda to tak:
PV=nRT
Używając tego równania, wszystkie rodzaje izoprocesów i przejścia adiabatycznego orazkonstruuje się wykresy izobaru, izotermy, izochoru i adiabatu. W równości n jest ilością substancji w układzie, R jest stałą dla wszystkich gazów. Poniżej rozważamy wszystkie odnotowane typy procesów quasi-statycznych.
Przejście izotermiczne
Po raz pierwszy został zbadany pod koniec XVII wieku na przykładzie różnych gazów. Odpowiednie eksperymenty przeprowadzili Robert Boyle i Edm Mariotte. Naukowcy uzyskali następujący wynik:
PV=const, gdy T=const
Jeśli zwiększysz ciśnienie w systemie, jego objętość zmniejszy się proporcjonalnie do tego wzrostu, jeśli system będzie utrzymywał stałą temperaturę. Łatwo jest samemu wyprowadzić to prawo z równania stanu.
Izoterma na wykresie to hiperbola, która zbliża się do osi P i V.
Przejścia izobaryczne i izochoryczne
Przejścia izobaryczne (przy stałym ciśnieniu) i izochoryczne (przy stałej objętości) w gazach były badane na początku XIX wieku. Wielkie zasługi w ich badaniu i odkryciu odpowiednich praw mają Francuzi Jacques Charles i Gay-Lussac. Oba procesy są matematycznie reprezentowane w następujący sposób:
V/T=const, gdy P=const;
P/T=const, gdy V=const
Oba wyrażenia wynikają z równania stanu, jeśli ustawimy odpowiednią stałą parametru.
Połączyliśmy te przejścia w jednym akapicie artykułu, ponieważ mają one tę samą reprezentację graficzną. W przeciwieństwie do izotermy, izobara i izochor są liniami prostymi, którepokazują bezpośrednią proporcjonalność między objętością i temperaturą oraz odpowiednio ciśnieniem i temperaturą.
Proces adiabatyczny
Różni się od opisanych izoprocesów tym, że przebiega w całkowitej izolacji termicznej od otoczenia. W wyniku przemiany adiabatycznej gaz rozszerza się lub kurczy bez wymiany ciepła z otoczeniem. W tym przypadku następuje odpowiednia zmiana jego energii wewnętrznej, czyli:
dU=- PdV
Aby opisać adiabatyczny proces quasi-statyczny, ważne jest, aby znać dwie wielkości: izobaryczną CP i izochoryczną CVpojemność cieplną. Wartość CP mówi, ile ciepła musi zostać doprowadzone do układu, aby podczas rozszerzania izobarycznego zwiększył swoją temperaturę o 1 K. Wartość CV oznacza to samo, tylko dla ogrzewania o stałej objętości.
Równanie tego procesu dla gazu doskonałego nazywa się równaniem Poissona. Jest zapisany w parametrach P i V w następujący sposób:
PVγ=const
Tutaj parametr γ nazywany jest wykładnikiem adiabatycznym. Jest równy stosunkowi CP i CV. Dla gazu jednoatomowego γ=1,67, dla gazu dwuatomowego - 1,4, jeśli gaz tworzą bardziej złożone cząsteczki, to γ=1,33.
Ponieważ proces adiabatyczny zachodzi wyłącznie z powodu własnych wewnętrznych zasobów energii, wykres adiabatyczny na osiach P-V zachowuje się ostrzej niż wykres izotermy(hiperbola).
