Termodinamica este o ramură importantă a fizicii care studiază și descrie sistemele termodinamice aflate în echilibru sau care tind la el. Pentru a putea descrie trecerea de la o stare inițială la o stare finală folosind ecuațiile termodinamicii, este necesar să se facă o aproximare a unui proces cvasistatic. Care este această aproximare și ce tipuri de procese sunt, vom lua în considerare în acest articol.
Ce se înțelege prin proces cvasi-static?
După cum știți, termodinamica pentru a descrie starea sistemului folosește un set de caracteristici macroscopice care pot fi măsurate experimental. Acestea includ presiunea P, volumul V și temperatura absolută T. Dacă toate cele trei mărimi sunt cunoscute pentru sistemul studiat la un moment dat, atunci ei spun că starea acestuia a fost determinată.
Conceptul de proces cvasistatic implică o tranziție între două stări. În timpul acestei tranziții,Desigur, caracteristicile termodinamice ale sistemului se modifică. Dacă în fiecare moment de timp în care trece tranziția continuă, pentru sistem se cunosc T, P și V și acesta nu este departe de starea lui de echilibru, atunci spunem că are loc un proces cvasistatic. Cu alte cuvinte, acest proces este o tranziție secvențială între un set de stări de echilibru. El presupune că influența externă asupra sistemului este nesemnificativă, astfel încât acesta are timp să ajungă rapid la echilibru.
Procesele reale nu sunt cvasi-statice, deci conceptul luat în considerare va fi idealizat. De exemplu, la extinderea sau comprimarea unui gaz, există schimbări turbulente și procese ondulatorii în el, care necesită ceva timp pentru atenuarea lor. Cu toate acestea, într-o serie de cazuri practice, pentru gazele în care particulele se mișcă la viteze mari, echilibrul se stabilește rapid, astfel încât diferitele tranziții între stările din ele pot fi considerate cvasi-statice cu mare precizie.
Ecuația stării și tipurile de procese în gaze
Gazul este o stare agregată convenabilă a materiei pentru studiul său în termodinamică. Acest lucru se datorează faptului că pentru descrierea sa există o ecuație simplă care leagă toate cele trei mărimi termodinamice de mai sus. Această ecuație se numește legea Clapeyron-Mendeleev. Arată așa:
PV=nRT
Folosind această ecuație, toate tipurile de izoprocese și tranziție adiabatică șisunt construite grafice ale izobarei, izotermei, izocorei și adiabatului. În egalitate, n este cantitatea de substanță din sistem, R este o constantă pentru toate gazele. Mai jos luăm în considerare toate tipurile notate de procese cvasi-statice.
Tranziție izotermă
A fost studiat pentru prima dată la sfârșitul secolului al XVII-lea folosind diferite gaze ca exemplu. Experimentele corespunzătoare au fost efectuate de Robert Boyle și Edm Mariotte. Oamenii de știință au venit cu următorul rezultat:
PV=const când T=const
Dacă creșteți presiunea în sistem, atunci volumul acestuia va scădea proporțional cu această creștere, dacă sistemul menține o temperatură constantă. Este ușor să deduceți singur această lege din ecuația stării.
Izoterma de pe grafic este o hiperbolă care se apropie de axele P și V.
Tranziții izobarice și izocorice
Tranzițiile izobarice (la presiune constantă) și izocorice (la volum constant) în gaze au fost studiate la începutul secolului al XIX-lea. Un mare merit în studiul lor și descoperirea legilor relevante aparține francezilor Jacques Charles și Gay-Lussac. Ambele procese sunt reprezentate matematic după cum urmează:
V/T=const când P=const;
P/T=const când V=const
Ambele expresii decurg din ecuația de stare dacă setăm constanta parametrului corespunzătoare.
Am combinat aceste tranziții sub un paragraf al articolului, deoarece au aceeași reprezentare grafică. Spre deosebire de izotermă, izobara și izocorul sunt linii drepte carearată proporționalitatea directă între volum și temperatură și respectiv presiune și temperatură.
Proces adiabatic
Se deosebește de izoprocesele descrise prin faptul că se desfășoară într-o izolare termică completă de mediu. Ca urmare a tranziției adiabatice, gazul se dilată sau se contractă fără schimb de căldură cu mediul. În acest caz, are loc o modificare corespunzătoare a energiei sale interne, adică:
dU=- PdV
Pentru a descrie un proces cvasi-static adiabatic, este important să cunoaștem două cantități: CP și CV izocoric capacitatea de căldură. Valoarea CP indică cât de multă căldură trebuie transmisă sistemului, astfel încât acesta să-și crească temperatura cu 1 K în timpul expansiunii izobare. Valoarea CV înseamnă același lucru, numai pentru încălzire cu volum constant.
Ecuația pentru acest proces pentru un gaz ideal se numește ecuația Poisson. Este scris în parametrii P și V după cum urmează:
PVγ=const
Aici parametrul γ se numește exponent adiabatic. Este egal cu raportul dintre CP și CV. Pentru un gaz monoatomic γ=1,67, pentru un gaz diatomic - 1,4, dacă gazul este format din molecule mai complexe, atunci γ=1,33.
Deoarece procesul adiabatic are loc numai datorită propriilor resurse interne de energie, graficul adiabatic din axele P-V se comportă mai clar decât graficul izoterm(hiperbolă).
