Termodynamik er en vigtig gren af fysikken, der studerer og beskriver termodynamiske systemer i ligevægt eller har tendens til det. For at kunne beskrive overgangen fra en begyndelsestilstand til en sluttilstand ved hjælp af termodynamikkens ligninger, er det nødvendigt at foretage en tilnærmelse af en kvasistatisk proces. Hvad er denne tilnærmelse, og hvilke typer af disse processer er, vil vi overveje i denne artikel.
Hvad menes der med en kvasistatisk proces?
Som du ved, bruger termodynamik til at beskrive systemets tilstand et sæt makroskopiske karakteristika, der kan måles eksperimentelt. Disse omfatter tryk P, volumen V og absolut temperatur T. Hvis alle tre mængder er kendt for det system, der undersøges på et givet tidspunkt, siger de, at dets tilstand er blevet bestemt.
Begrebet en kvasi-statisk proces indebærer en overgang mellem to tilstande. Under denne overgang,Naturligvis ændres systemets termodynamiske egenskaber. Hvis på hvert tidspunkt, hvor overgangen fortsætter, er T, P og V kendt for systemet, og det er ikke langt fra dets ligevægtstilstand, så siger vi, at der opstår en kvasistatisk proces. Med andre ord er denne proces en sekventiel overgang mellem et sæt ligevægtstilstande. Han antager, at den ydre påvirkning af systemet er ubetydelig, så det når hurtigt at komme i ligevægt.
Virkelige processer er ikke kvasistatiske, så konceptet under overvejelse vil blive idealiseret. For eksempel, når en gas udvides eller komprimeres, er der turbulente ændringer og bølgeprocesser i den, som kræver noget tid for deres dæmpning. Ikke desto mindre, i en række praktiske tilfælde, for gasser, hvori partikler bevæger sig med høj hastighed, indtræder ligevægten hurtigt, så forskellige overgange mellem tilstande i dem kan betragtes som kvasistatiske med høj nøjagtighed.
Ligning af tilstand og typer af processer i gasser
Gas er en bekvem aggregeret stoftilstand til dets undersøgelse af termodynamik. Dette skyldes det faktum, at der til beskrivelsen er en simpel ligning, der relaterer alle tre ovenstående termodynamiske størrelser. Denne ligning kaldes Clapeyron-Mendeleev-loven. Det ser sådan ud:
PV=nRT
Ved brug af denne ligning kan alle former for isoprocesser og adiabatiske overgange oggrafer for isobar, isoterm, isochore og adiabat er konstrueret. I lighed er n mængden af stof i systemet, R er en konstant for alle gasser. Nedenfor ser vi på alle de nævnte typer kvasistatiske processer.
Isotermisk overgang
Det blev først undersøgt i slutningen af det 17. århundrede med forskellige gasser som eksempel. De tilsvarende eksperimenter blev udført af Robert Boyle og Edm Mariotte. Forskere kom frem til følgende resultat:
PV=const, når T=const
Hvis du øger trykket i systemet, vil dets volumen falde i forhold til denne stigning, hvis systemet holder en konstant temperatur. Det er nemt selv at udlede denne lov fra tilstandsligningen.
Isotermen på grafen er en hyperbel, der nærmer sig P- og V-akserne.
Isobariske og isokoriske overgange
Isobariske (ved konstant tryk) og isokoriske (ved konstant volumen) overgange i gasser blev undersøgt i begyndelsen af det 19. århundrede. Stor fortjeneste i deres undersøgelse og opdagelse af de relevante love tilhører franskmændene Jacques Charles og Gay-Lussac. Begge processer er matematisk repræsenteret som følger:
V/T=const når P=const;
P/T=const når V=const
Begge udtryk følger af tilstandsligningen, hvis vi sætter den tilsvarende parameter konstant.
Vi har kombineret disse overgange under ét afsnit i artiklen, fordi de har den samme grafiske repræsentation. I modsætning til isotermen er isobaren og isochore lige linjer, dervis direkte proportionalitet mellem henholdsvis volumen og temperatur og tryk og temperatur.
Adiabatisk proces
Den adskiller sig fra de beskrevne isoprocesser ved, at den forløber i fuldstændig termisk isolation fra miljøet. Som følge af den adiabatiske overgang udvider eller trækker gassen sig sammen uden varmeudveksling med omgivelserne. I dette tilfælde sker der en tilsvarende ændring i dens indre energi, dvs.:
dU=- PdV
For at beskrive en adiabatisk kvasi-statisk proces, er det vigtigt at kende to størrelser: isobarisk CP og isokorisk CVvarmekapacitet. Værdien CP fortæller, hvor meget varme der skal tilføres systemet, så det øger dets temperatur med 1 K under isobarisk ekspansion. Værdien CV betyder det samme, kun for konstant opvarmning.
Ligningen for denne proces for en ideel gas kaldes Poisson-ligningen. Det skrives i parametrene P og V som følger:
PVγ=const
Her kaldes parameteren γ for den adiabatiske eksponent. Det er lig med forholdet mellem CP og CV. For en monoatomisk gas γ=1,67, for en diatomisk gas - 1,4, hvis gassen er dannet af mere komplekse molekyler, så er γ=1,33.
Da den adiabatiske proces udelukkende opstår på grund af dens egne interne energiressourcer, opfører den adiabatiske graf i P-V-akserne sig mere skarpt end den isotermiske graf(hyperbole).
