A termodinamika a fizika fontos ága, amely egyensúlyban lévő vagy arra hajló termodinamikai rendszereket vizsgál és ír le. Ahhoz, hogy a termodinamikai egyenletek segítségével le tudjuk írni a kezdeti állapotból a végállapotba való átmenetet, szükséges egy kvázi statikus folyamat közelítése. Mi ez a közelítés, és milyen típusúak ezek a folyamatok, ebben a cikkben megvizsgáljuk.
Mit jelent a kvázi statikus folyamat?
Mint tudod, a termodinamika a rendszer állapotának leírására makroszkopikus jellemzőket használ, amelyek kísérletileg mérhetők. Ide tartozik a P nyomás, a V térfogat és az abszolút hőmérséklet T. Ha egy adott pillanatban mindhárom mennyiség ismert a vizsgált rendszerre vonatkozóan, akkor azt mondják, hogy az állapot meghatározásra került.
A kvázistatikus folyamat fogalma két állapot közötti átmenetet foglal magában. Ezen átmenet alattTermészetesen a rendszer termodinamikai jellemzői megváltoznak. Ha minden időpillanatban, amely alatt az átmenet folytatódik, T, P és V ismert a rendszerre, és nincs messze az egyensúlyi állapotától, akkor azt mondjuk, hogy kvázi statikus folyamat megy végbe. Más szavakkal, ez a folyamat egy szekvenciális átmenet az egyensúlyi állapotok halmaza között. Feltételezi, hogy a rendszerre gyakorolt külső hatás jelentéktelen, így van ideje gyorsan egyensúlyba kerülni.
A valós folyamatok nem kvázi statikusak, ezért a vizsgált koncepció idealizálódik. Például egy gáz tágulásakor vagy összenyomásakor turbulens változások, hullámfolyamatok mennek végbe benne, amelyek csillapítása némi időt igényel. Ennek ellenére számos gyakorlati esetben azoknál a gázoknál, amelyekben a részecskék nagy sebességgel mozognak, gyorsan beáll az egyensúly, így ezekben az állapotok közötti különböző átmenetek nagy pontossággal kvázistatikusnak tekinthetők.
Gázokban zajló folyamatok állapotegyenlete és típusai
A gáz egy kényelmes halmazállapotú anyag a termodinamikai tanulmányozáshoz. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy leírásához létezik egy egyszerű egyenlet, amely mindhárom fenti termodinamikai mennyiséget összekapcsolja. Ezt az egyenletet Clapeyron-Mengyelejev törvénynek nevezik. Így néz ki:
PV=nRT
Az egyenlet használatával mindenféle izofolyamat és adiabatikus átmenet, ill.az izobár, az izoterma, az izokor és az adiabát grafikonjai készülnek. Egyenlőség szerint n a rendszerben lévő anyag mennyisége, R állandó minden gázra. Az alábbiakban megvizsgáljuk a kvázistatikus folyamatok összes említett típusát.
Izotermikus átmenet
Először a 17. század végén tanulmányozták különféle gázok példakénti felhasználásával. A megfelelő kísérleteket Robert Boyle és Edm Mariotte végezte. A tudósok a következő eredményre jutottak:
PV=állandó, ha T=const
Ha növeli a nyomást a rendszerben, akkor a térfogata ezzel a növekedéssel arányosan csökken, ha a rendszer állandó hőmérsékletet tart fenn. Ezt a törvényt könnyű levezetni az állapotegyenletből.
A grafikon izotermája egy hiperbola, amely megközelíti a P és V tengelyt.
Izobár és izokor átmenetek
A 19. század elején tanulmányozták a gázok izobár (állandó nyomáson) és izochor (állandó térfogatú) átmeneteit. A vonatkozó törvények tanulmányozásában és feltárásában a francia Jacques Charles és Gay-Lussac nagy érdeme. Mindkét folyamat matematikai ábrázolása a következő:
V/T=állandó, ha P=állandó;
P/T=const, amikor V=const
Mindkét kifejezés az állapotegyenletből következik, ha beállítjuk a megfelelő paraméter állandót.
Ezeket az átmeneteket a cikk egy bekezdésében egyesítettük, mert ugyanaz a grafikus ábrázolásuk. Az izotermától eltérően az izobár és az izokor olyan egyenes vonalak, amelyekegyenes arányosságot mutat a térfogat és a hőmérséklet, valamint a nyomás és a hőmérséklet között.
Adiabatikus folyamat
A leírt izofolyamatoktól abban különbözik, hogy a környezettől teljesen hőszigetelve megy végbe. Az adiabatikus átmenet eredményeként a gáz a környezettel hőcsere nélkül kitágul vagy összehúzódik. Ebben az esetben a belső energiájában ennek megfelelő változás következik be, azaz:
dU=- PdV
Egy adiabatikus kvázi statikus folyamat leírásához fontos ismerni két mennyiséget: izobár CP és izobár CVhőkapacitást. A CP érték azt mutatja meg, hogy mennyi hőt kell átadni a rendszernek ahhoz, hogy az izobár expanzió során 1 K-vel növelje a hőmérsékletét. A CV érték ugyanazt jelenti, csak állandó térfogatú fűtés esetén.
Az ideális gázra vonatkozó folyamat egyenletét Poisson-egyenletnek nevezik. A P és V paraméterekben a következőképpen van beírva:
PVγ=const
Itt a γ paramétert adiabatikus kitevőnek nevezzük. Ez egyenlő a CP és CV arányával. Egyatomos gáznál γ=1,67, kétatomos gáznál - 1,4, ha a gázt összetettebb molekulák alkotják, akkor γ=1,33.
Mivel az adiabatikus folyamat kizárólag saját belső energiaforrásainak köszönhető, a P-V tengelyekben lévő adiabatikus gráf élesebben viselkedik, mint az izoterma gráf(hiperbola).
