Kvázistatické procesy: izotermické, izobarické, izochorické a adiabatické

Termodynamika - toto je dôležité odbor fyziky, ktorý študuje a popisuje termodynamické systémy v rovnováhe alebo k nim inklinuje. Aby bolo možné pomocou termodynamických rovníc opísať prechod z určitého počiatočného stavu do konečného stavu, je potrebné urobiť aproximáciu kvázistatického procesu. Aká je táto aproximácia a aké typy týchto procesov sú, zvážime v tomto článku.

Čo sa myslí kvázistatickým procesom?

Ako je známe, termodynamika používa súbor makroskopických charakteristík na opis stavu systému, ktorý je možné experimentálne merať. Patria sem tlak P, objem v a absolútna teplota T. Ak sú v súčasnosti pre skúmaný systém známe všetky tri hodnoty, potom sa hovorí, že je určený jeho stav.

Koncept kvázistatického procesu predpokladá existenciu prechodu medzi dvoma štátmi. V procese takéhoto prechodu sa samozrejme menia termodynamické charakteristiky systému. Ak v každom okamihu, počas ktorého prechod pokračuje, sú pre systém známe t, P A V a nie sú ďaleko od jeho rovnovážneho stavu, potom hovoria, že prebieha kvázistatický proces. Inými slovami, tento proces je postupným prechodom medzi súborom rovnovážnych stavov. Predpokladá, že vonkajší vplyv na systém je zanedbateľný, takže má čas rýchlo sa dostať do rovnováhy.

Skutočné procesy nie sú kvázistatické, takže uvažovaný koncept bude idealizovaný. Napríklad počas expanzie alebo stlačenia plynu v ňom dochádza k turbulentným zmenám a vlnovým procesom, ktoré predpokladajú určitý čas na ich útlm. Napriek tomu v mnohých praktických prípadoch pre plyny, v ktorých sa častice pohybujú vysokou rýchlosťou, nastáva rovnováha rýchlo, takže rôzne prechody medzi stavmi v nich možno považovať za kvázistatické s vysokou presnosťou.

Stavová rovnica a typy procesov v plynoch

Plyn je vhodný agregátny stav hmoty na štúdium termodynamiky. Je to spôsobené tým, že pre jeho opis existuje jednoduchá rovnica spájajúca všetky tri vyššie uvedené termodynamické veličiny. Táto rovnica sa nazýva Clapeyron-Mendeleevov zákon. Má nasledujúcu formu:

P * v = n * R * T

Pomocou tejto rovnice sa študujú všetky typy izoprocesu a adiabatického prechodu a vytvárajú sa grafy izobarov, izoteriem, izochorov a adiabatov. V rovnosti n je množstvo látky v systéme, R je konštanta pre všetky plyny. Nižšie uvažujeme o všetkých uvedených typoch kvázistatických procesov.

Izotermický prechod

Prvýkrát sa študoval na konci XVII storočia na príklade rôznych plynov. Zodpovedajúce experimenty uskutočnili Robert Boyle a Edm Marriott. Vedci dospeli k nasledujúcemu výsledku:

P * v = const at T = const

Ak sa tlak v systéme zvýši, jeho objem sa zníži úmerne k tomuto zvýšeniu, ak sa teplota v systéme udržiava konštantná. Nie je ťažké získať tento zákon z rovnice stavu sami.

Izoterma na grafe je hyperbola, ktorá sa blíži k osiam P A V.

Izobarické a izochorické prechody

Izobarické (pri konštantnom tlaku) a izochorické (pri konštantnom objeme) prechody v plynoch boli študované na začiatku XIX storočia. Veľké zásluhy pri štúdiu a objavovaní príslušných zákonov patria Francúzom Jacquesovi Charlesovi a Gay-Lussacovi. Oba procesy sú matematicky znázornené takto:

V / T = const v p = const;

P / T = const, keď V = const

Oba výrazy vyplývajú zo stavovej rovnice, ak dáme zodpovedajúcu konštantu parametrov.

Tieto prechody sme skombinovali do jedného odseku článku, pretože majú rovnaké grafické znázornenie. Na rozdiel od izotermy sú izobar a izochore priame čiary, ktoré vykazujú priamu proporcionalitu medzi objemom a teplotou, respektíve tlakom a teplotou.

Proces je adiabatický

Od opísaných izoprocesov sa líši tým, že prebieha v úplnej tepelnej izolácii od prostredie. V dôsledku adiabatického prechodu sa plyn rozširuje alebo sťahuje bez výmeny tepla s vonkajším prostredím. Zároveň dochádza k zodpovedajúcej zmene jeho vnútornej energie, to znamená:

dU = - P * dV

Na opis adiabatického kvázistatického procesu je dôležité poznať dve veličiny: izobarický C_P a izochorický C_V tepelná kapacita. Hodnota C_P označuje, koľko tepla by sa malo do systému preniesť, aby sa zvýšila jeho teplota o 1 K s izobarickou expanziou. Hodnota C_V znamená to isté, len na vykurovanie pri konštantnom objeme.

Rovnica tohto procesu pre ideálne plyn sa nazýva Poissonova rovnica. Je napísaný v parametroch P A V nasledovne:

P * V^γ = const

Tu sa parameter y nazýva adiabatický exponent. Rovná sa pomeru hodnôt C_P a C_V. Pre monatomický plyn y=1,67, pre diatomické-1,4, ak je plyn tvorený zložitejšími molekulami, potom Y= 1,33.

Pretože adiabatický proces prebieha výlučne na úkor vlastných vnútorných zdrojov energie, adiabatický graf v osiach P-V sa Správa ostrejšie ako izoterm Graf (hyperbola).