Termodinamika ir svarīga fizikas nozare, kas pēta un apraksta termodinamiskās sistēmas līdzsvarā vai tiecas uz to. Lai varētu aprakstīt pāreju no kāda sākuma stāvokļa uz beigu stāvokli, izmantojot termodinamikas vienādojumus, ir nepieciešams veikt kvazistatiskā procesa aproksimāciju. Kas ir šis tuvinājums un kādi ir šo procesu veidi, mēs apskatīsim šajā rakstā.
Ko nozīmē kvazistatisks process?
Kā jūs zināt, termodinamikā, lai aprakstītu sistēmas stāvokli, tiek izmantots makroskopisko raksturlielumu kopums, ko var izmērīt eksperimentāli. Tie ietver spiedienu P, tilpumu V un absolūto temperatūru T. Ja pētāmajai sistēmai konkrētajā brīdī ir zināmi visi trīs lielumi, tad tie saka, ka tās stāvoklis ir noteikts.
Kvazistatiskā procesa jēdziens ietver pāreju starp diviem stāvokļiem. Šīs pārejas laikāProtams, mainās sistēmas termodinamiskās īpašības. Ja katrā laika momentā, kurā turpinās pāreja, sistēmai ir zināmi T, P un V, un tā nav tālu no tās līdzsvara stāvokļa, tad mēs sakām, ka notiek kvazistatisks process. Citiem vārdiem sakot, šis process ir secīga pāreja starp līdzsvara stāvokļu kopu. Viņš pieņem, ka ārējā ietekme uz sistēmu ir nenozīmīga, lai tai būtu laiks ātri nonākt līdzsvarā.
Reāli procesi nav kvazistatiski, tāpēc izskatāmā koncepcija tiks idealizēta. Piemēram, paplašinot vai saspiežot gāzi, tajā notiek turbulentas izmaiņas un viļņu procesi, kuru vājināšanās prasa zināmu laiku. Tomēr vairākos praktiskos gadījumos gāzēm, kurās daļiņas pārvietojas ar lielu ātrumu, līdzsvars iestājas ātri, tāpēc dažādas pārejas starp stāvokļiem tajās var uzskatīt par kvazistatiskām ar augstu precizitāti.
Stāvokļa un procesu veidu vienādojums gāzēs
Gāze ir ērts agregātstāvoklis tās pētīšanai termodinamikā. Tas ir saistīts ar faktu, ka tā aprakstam ir vienkāršs vienādojums, kas saista visus trīs iepriekš minētos termodinamiskos lielumus. Šo vienādojumu sauc par Klapeirona-Mendeļejeva likumu. Tas izskatās šādi:
PV=nRT
Izmantojot šo vienādojumu, visu veidu izoprocesi un adiabātiskā pāreja untiek konstruēti izobāra, izotermas, izohora un adiabāta grafiki. Vienādībā n ir vielas daudzums sistēmā, R ir konstante visām gāzēm. Tālāk ir apskatīti visi minētie kvazistatisko procesu veidi.
Izotermiskā pāreja
Pirmo reizi tas tika pētīts 17. gadsimta beigās, kā piemēru izmantojot dažādas gāzes. Attiecīgos eksperimentus veica Roberts Boils un Edms Mariote. Zinātnieki nāca klajā ar šādu rezultātu:
PV=const, kad T=const
Ja palielināsiet spiedienu sistēmā, tad tā tilpums samazināsies proporcionāli šim pieaugumam, ja sistēma uztur nemainīgu temperatūru. Šo likumu ir viegli atvasināt no stāvokļa vienādojuma pašam.
Izoterma grafikā ir hiperbola, kas tuvojas P un V asīm.
Izobariskas un izohoriskas pārejas
Izobāriskās (pie nemainīga spiediena) un izohoriskās (pie nemainīga tilpuma) pārejas gāzēs tika pētītas 19. gadsimta sākumā. Lieli nopelni viņu izpētē un attiecīgo likumu atklāšanā pieder francūžiem Žakam Šarlam un Gejam-Lusakam. Abi procesi ir matemātiski attēloti šādi:
V/T=const, kad P=const;
P/T=const, kad V=const
Abas izteiksmes izriet no stāvokļa vienādojuma, ja iestatām atbilstošo parametru konstanti.
Šīs pārejas esam apvienojuši vienā raksta rindkopā, jo tām ir vienāds grafiskais attēlojums. Atšķirībā no izotermas, izobars un izohors ir taisnas līnijas, kasparādīt tiešo proporcionalitāti starp tilpumu un temperatūru un attiecīgi spiedienu un temperatūru.
Adiabātiskais process
Tas atšķiras no aprakstītajiem izoprocesiem ar to, ka notiek pilnīgā termiski izolācijā no apkārtējās vides. Adiabātiskās pārejas rezultātā gāze izplešas vai saraujas bez siltuma apmaiņas ar vidi. Šajā gadījumā notiek atbilstošas izmaiņas tās iekšējā enerģijā, tas ir:
dU=- PdV
Lai aprakstītu adiabātisko kvazistatisko procesu, ir svarīgi zināt divus lielumus: izobārisko CP un izohorisko CVsiltumspēju. Vērtība CP norāda, cik daudz siltuma ir jānodod sistēmai, lai tā izobāriskās izplešanās laikā paaugstinātu temperatūru par 1 K. Vērtība CV nozīmē to pašu, tikai pastāvīga apjoma sildīšanai.
Šī procesa vienādojumu ideālai gāzei sauc par Puasona vienādojumu. Tas ir ierakstīts parametros P un V šādi:
PVγ=const
Šeit parametru γ sauc par adiabātisko eksponentu. Tas ir vienāds ar attiecību CP un CV. Monatomiskai gāzei γ=1,67, divatomu gāzei - 1,4, ja gāzi veido sarežģītākas molekulas, tad γ=1,33.
Tā kā adiabātiskais process notiek tikai savu iekšējo enerģijas resursu dēļ, adiabātiskais grafiks P-V asīs darbojas asāk nekā izotermu grafiks(hiperbola).
