Termodinamika yra svarbi fizikos šaka, kuri tiria ir apibūdina termodinamines sistemas, kurios yra pusiausvyroje arba linkusios į ją. Norint termodinamikos lygtimis aprašyti perėjimą iš kokios nors pradinės būsenos į galutinę būseną, būtina atlikti kvazistatinio proceso aproksimaciją. Kas yra šis apytikslis skaičiavimas ir kokie yra šių procesų tipai, mes apsvarstysime šiame straipsnyje.
Ką reiškia kvazistatinis procesas?
Kaip žinote, termodinamika sistemos būsenai apibūdinti naudoja makroskopinių charakteristikų rinkinį, kurį galima išmatuoti eksperimentiškai. Tai apima slėgį P, tūrį V ir absoliučią temperatūrą T. Jei visi trys tiriamos sistemos dydžiai yra žinomi tam tikru momentu, jie sako, kad jos būsena nustatyta.
Kvazistatinio proceso sąvoka reiškia perėjimą tarp dviejų būsenų. Šio perėjimo metuNatūralu, kad keičiasi sistemos termodinaminės charakteristikos. Jei kiekvienu laiko momentu, per kurį vyksta perėjimas, sistemai yra žinomi T, P ir V ir ji nėra toli nuo jos pusiausvyros būsenos, tada sakome, kad vyksta kvazistatinis procesas. Kitaip tariant, šis procesas yra nuoseklus perėjimas tarp pusiausvyros būsenų rinkinio. Jis daro prielaidą, kad išorinis poveikis sistemai yra nereikšmingas, todėl ji turi laiko greitai pasiekti pusiausvyrą.
Realūs procesai nėra kvazistatiški, todėl svarstoma koncepcija bus idealizuota. Pavyzdžiui, plečiant ar suspaudžiant dujas, jose vyksta turbulentiniai pokyčiai ir bangų procesai, kuriems reikia šiek tiek laiko susilpnėti. Nepaisant to, daugeliu praktinių atvejų dujose, kuriose dalelės juda dideliu greičiu, pusiausvyra greitai nusistovi, todėl įvairūs perėjimai tarp būsenų jose gali būti labai tiksliai laikomi kvazistatiniais.
Būsenos ir procesų tipų dujose lygtis
Dujos yra patogi agreguota materijos būsena termodinamikos tyrimams. Taip yra dėl to, kad jo aprašymui yra paprasta lygtis, susiejanti visus tris aukščiau išvardintus termodinaminius dydžius. Ši lygtis vadinama Clapeyrono-Mendelejevo dėsniu. Tai atrodo taip:
PV=nRT
Naudojant šią lygtį, visų rūšių izoprocesai ir adiabatinis perėjimas irsudaromi izobaro, izotermos, izochoro ir adiabato grafikai. Lygybės atveju n yra medžiagos kiekis sistemoje, R yra visų dujų konstanta. Toliau aptariame visus nurodytus kvazistatinių procesų tipus.
Izoterminis perėjimas
Pirmą kartą jis buvo ištirtas XVII amžiaus pabaigoje, kaip pavyzdį naudojant įvairias dujas. Atitinkamus eksperimentus atliko Robert Boyle ir Edm Mariotte. Mokslininkai pateikė tokį rezultatą:
PV=const, kai T=const
Jei padidinsite slėgį sistemoje, jo tūris sumažės proporcingai šiam padidėjimui, jei sistema išlaikys pastovią temperatūrą. Šį dėsnį lengva išvesti iš būsenos lygties patiems.
Izoterma grafike yra hiperbolė, artėjanti prie P ir V ašių.
Izobariniai ir izochoriniai perėjimai
Izobariniai (esant pastoviam slėgiui) ir izochoriniai (esant pastoviam tūriui) perėjimai dujose buvo tiriami XIX amžiaus pradžioje. Didelis nuopelnas tyrinėjant ir atrandant atitinkamus įstatymus priklauso prancūzams Jacques'ui Charlesui ir Gay-Lussac. Abu procesai matematiškai pavaizduoti taip:
V/T=const, kai P=const;
P/T=const, kai V=const
Abi išraiškos išplaukia iš būsenos lygties, jei nustatome atitinkamą parametro konstantą.
Šiuos perėjimus sujungėme vienoje straipsnio pastraipoje, nes jie turi tą patį grafinį vaizdą. Skirtingai nuo izotermos, izobaras ir izochoras yra tiesios linijos, kuriosrodyti tiesioginį tūrio ir temperatūros bei slėgio ir temperatūros proporcingumą atitinkamai.
Adiabatinis procesas
Jis skiriasi nuo aprašytų izoprocesų tuo, kad vyksta visiškai termiškai izoliuotas nuo aplinkos. Dėl adiabatinio perėjimo dujos plečiasi arba susitraukia be šilumos mainų su aplinka. Tokiu atveju įvyksta atitinkamas jo vidinės energijos pokytis, tai yra:
dU=- PdV
Norint apibūdinti adiabatinį kvazistatinį procesą, svarbu žinoti du dydžius: izobarinę CP ir izochorinę CVšiluminę talpą. Reikšmė CP nurodo, kiek šilumos turi būti suteikta sistemai, kad ji padidintų temperatūrą 1 K izobarinio plėtimosi metu. Reikšmė CV reiškia tą patį, tik esant pastovaus tūrio šildymui.
Šio idealių dujų proceso lygtis vadinama Puasono lygtimi. Jis įrašomas parametruose P ir V taip:
PVγ=const
Čia parametras γ vadinamas adiabatiniu eksponentu. Jis lygus CP ir CV santykiui. Vienatominėms dujoms γ=1,67, dviatomėms dujoms - 1,4, jei dujas sudaro sudėtingesnės molekulės, tai γ=1,33.
Kadangi adiabatinis procesas vyksta tik dėl savo vidinių energijos išteklių, adiabatinis grafikas P-V ašyse veikia ryškiau nei izoterminis grafikas(hiperbolė).
