Termodynamik är en viktig gren av fysiken som studerar och beskriver termodynamiska system i jämvikt eller strävar efter det. För att kunna beskriva övergången från något initi altillstånd till ett sluttillstånd med hjälp av termodynamikens ekvationer är det nödvändigt att göra en approximation av en kvasistatisk process. Vad är denna uppskattning, och vilka typer av dessa processer är, kommer vi att överväga i den här artikeln.
Vad menas med en kvasistatisk process?
Som ni vet använder termodynamik för att beskriva systemets tillstånd en uppsättning makroskopiska egenskaper som kan mätas experimentellt. Dessa inkluderar tryck P, volym V och absolut temperatur T. Om alla tre kvantiteterna är kända för systemet som studeras vid ett givet tillfälle, så säger de att dess tillstånd har bestämts.
Begreppet en kvasistatisk process innebär en övergång mellan två tillstånd. Under denna övergång,Naturligtvis förändras systemets termodynamiska egenskaper. Om vid varje tidpunkt då övergången fortsätter, T, P och V är kända för systemet, och det är inte långt från dess jämviktstillstånd, så säger vi att en kvasistatisk process inträffar. Med andra ord är denna process en sekventiell övergång mellan en uppsättning jämviktstillstånd. Han antar att den yttre påverkan på systemet är obetydlig så att det snabbt hinner komma till jämvikt.
Verkliga processer är inte kvasistatiska, så konceptet som övervägs kommer att idealiseras. Till exempel, när man expanderar eller komprimerar en gas, finns det turbulenta förändringar och vågprocesser i den, som kräver lite tid för deras dämpning. Ändå, i ett antal praktiska fall, för gaser där partiklar rör sig med höga hastigheter, inträder jämvikt snabbt, så olika övergångar mellan tillstånd i dem kan betraktas som kvasistatiska med hög noggrannhet.
Ekvation för tillstånd och typer av processer i gaser
Gas är ett bekvämt aggregerat materiatillstånd för sina studier i termodynamik. Detta beror på det faktum att det för dess beskrivning finns en enkel ekvation som relaterar alla tre av ovanstående termodynamiska storheter. Denna ekvation kallas Clapeyron-Mendeleev-lagen. Det ser ut så här:
PV=nRT
Med hjälp av denna ekvation, alla typer av isoprocesser och adiabatisk övergång ochgrafer för isobar, isoterm, isokor och adiabat konstrueras. I likhet är n mängden ämne i systemet, R är en konstant för alla gaser. Nedan betraktar vi alla de noterade typerna av kvasistatiska processer.
Isotermisk övergång
Det studerades först i slutet av 1600-talet med hjälp av olika gaser som exempel. Motsvarande experiment utfördes av Robert Boyle och Edm Mariotte. Forskare kom fram till följande resultat:
PV=const när T=const
Om du ökar trycket i systemet, kommer dess volym att minska i proportion till denna ökning, om systemet håller en konstant temperatur. Det är lätt att själv härleda denna lag från tillståndsekvationen.
Isotermen på grafen är en hyperbel som närmar sig P- och V-axlarna.
Isobariska och isokoriska övergångar
Isobariska (vid konstant tryck) och isokoriska (vid konstant volym) övergångar i gaser studerades i början av 1800-talet. Stora förtjänster i deras studie och upptäckt av relevanta lagar tillhör fransmännen Jacques Charles och Gay-Lussac. Båda processerna representeras matematiskt enligt följande:
V/T=const när P=const;
P/T=const när V=const
Båda uttrycken följer av tillståndsekvationen om vi sätter motsvarande parameterkonstant.
Vi har kombinerat dessa övergångar under ett stycke i artikeln eftersom de har samma grafiska representation. Till skillnad från isotermen är isobaren och isokoren raka linjer somvisa direkt proportionalitet mellan volym och temperatur respektive tryck och temperatur.
Adiabatisk process
Den skiljer sig från de beskrivna isoprocesserna genom att den fortsätter i fullständig termisk isolering från omgivningen. Som ett resultat av den adiabatiska övergången expanderar eller drar gasen ihop sig utan värmeväxling med omgivningen. I detta fall sker en motsvarande förändring av dess inre energi, det vill säga:
dU=- PdV
För att beskriva en adiabatisk kvasi-statisk process är det viktigt att känna till två storheter: isobarisk CP och isokorisk CVvärmekapacitet. Värdet CP talar om hur mycket värme som måste tillföras systemet så att det ökar sin temperatur med 1 K under isobarisk expansion. Värdet CV betyder detsamma, endast för konstant volymuppvärmning.
Ekvationen för denna process för en idealgas kallas Poisson-ekvationen. Det skrivs i parametrarna P och V enligt följande:
PVγ=const
Här kallas parametern γ för den adiabatiska exponenten. Det är lika med förhållandet mellan CP och CV. För en monoatomisk gas γ=1,67, för en diatomisk gas - 1,4, om gasen bildas av mer komplexa molekyler, då γ=1,33.
Eftersom den adiabatiska processen sker enbart på grund av sina egna inre energiresurser, beter sig den adiabatiska grafen i P-V-axlarna skarpare än isotermgrafen(hyperbol).
