Termodinamika je pomembna veja fizike, ki proučuje in opisuje termodinamične sisteme v ravnotežju ali se k temu nagiba. Da bi lahko z enačbami termodinamike opisali prehod iz nekega začetnega stanja v končno stanje, je treba narediti aproksimacijo kvazistatičnega procesa. Kaj je ta približek in kakšne vrste so ti procesi, bomo obravnavali v tem članku.
Kaj pomeni kvazistatični proces?
Kot veste, termodinamika za opis stanja sistema uporablja niz makroskopskih značilnosti, ki jih je mogoče eksperimentalno izmeriti. Ti vključujejo tlak P, prostornino V in absolutno temperaturo T. Če so za preučevani sistem v danem trenutku znane vse tri količine, potem pravijo, da je bilo njegovo stanje določeno.
Koncept kvazistatičnega procesa implicira prehod med dvema stanjema. Med tem prehodom,Seveda se termodinamične značilnosti sistema spreminjajo. Če so v vsakem trenutku, v katerem se prehod nadaljuje, za sistem znani T, P in V in ni daleč od njegovega ravnotežnega stanja, potem pravimo, da pride do kvazistatičnega procesa. Z drugimi besedami, ta proces je zaporedni prehod med nizom ravnotežnih stanj. Domneva, da je zunanji vpliv na sistem nepomemben, tako da ima čas, da hitro pride v ravnotežje.
Resni procesi niso kvazistatični, zato bo obravnavani koncept idealiziran. Na primer, pri širjenju ali stiskanju plina v njem prihaja do turbulentnih sprememb in valovnih procesov, ki zahtevajo nekaj časa za njihovo dušenje. Kljub temu se v številnih praktičnih primerih za pline, v katerih se delci gibljejo z visokimi hitrostmi, ravnotežje hitro vzpostavi, zato lahko različne prehode med stanji v njih z visoko natančnostjo štejemo za kvazistatične.
Enačbe stanja in vrste procesov v plinih
Plin je priročno agregatno stanje snovi za preučevanje v termodinamiki. To je posledica dejstva, da za njen opis obstaja preprosta enačba, ki povezuje vse tri zgornje termodinamične količine. Ta enačba se imenuje Clapeyron-Mendeleev zakon. Izgleda takole:
PV=nRT
Z uporabo te enačbe so vse vrste izoprocesov in adiabatnih prehodov insestavijo se grafi izobare, izoterme, izohore in adiabate. V enakosti je n količina snovi v sistemu, R je konstanta za vse pline. Spodaj obravnavamo vse opažene vrste kvazistatičnih procesov.
Izotermični prehod
Prvič so ga preučevali konec 17. stoletja z uporabo različnih plinov kot primera. Ustrezne poskuse sta izvedla Robert Boyle in Edm Mariotte. Znanstveniki so prišli do naslednjega rezultata:
PV=const, ko je T=const
Če povečate tlak v sistemu, se bo njegova prostornina zmanjšala sorazmerno s tem povečanjem, če sistem vzdržuje konstantno temperaturo. Ta zakon je enostavno izpeljati iz enačbe stanja sami.
Izoterma na grafu je hiperbola, ki se približuje osi P in V.
Izobarični in izohorični prehodi
Izobarične (pri konstantnem tlaku) in izohorične (pri konstantni prostornini) prehode v plinih so preučevali v začetku 19. stoletja. Velike zasluge pri njihovem preučevanju in odkrivanju ustreznih zakonov pripadajo Francozom Jacquesu Charlesu in Gay-Lusscu. Oba procesa sta matematično predstavljena na naslednji način:
V/T=const, ko je P=const;
P/T=const, ko je V=const
Oba izraza izhajata iz enačbe stanja, če nastavimo ustrezno konstanto parametra.
Te prehode smo združili pod enim odstavkom članka, ker imajo enak grafični prikaz. Za razliko od izoterme sta izobara in izohora ravne črtepokazati neposredno sorazmernost med prostornino in temperaturo ter tlakom in temperaturo.
adiabatski proces
Od opisanih izoprocesov se razlikuje po tem, da poteka v popolni toplotni izolaciji od okolja. Zaradi adiabatnega prehoda se plin razširi ali skrči brez izmenjave toplote z okoljem. V tem primeru pride do ustrezne spremembe njegove notranje energije, to je:
dU=- PdV
Za opis adiabatnega kvazistatičnega procesa je pomembno poznati dve količini: izobarično CP in izohorično CV toplotno kapaciteto. Vrednost CP pove, koliko toplote je treba prenesti sistemu, da zviša svojo temperaturo za 1 K med izobarično ekspanzijo. Vrednost CV pomeni isto, samo za ogrevanje s konstantno prostornino.
Enčba za ta proces za idealni plin se imenuje Poissonova enačba. Zapiše se v parametrih P in V na naslednji način:
PVγ=const
Tukaj se parameter γ imenuje adiabatni eksponent. Enako je razmerju CP in CV. Za enoatomski plin γ=1,67, za dvoatomski plin - 1,4, če plin tvorijo bolj kompleksne molekule, potem je γ=1,33.
Ker se adiabatski proces odvija izključno zaradi lastnih notranjih energetskih virov, se adiabatski graf v osi P-V obnaša bolj ostro kot graf izoterme(hiperbola).
