Термодинамиката е важен клон на физиката, който изучава и описва термодинамични системи в равновесие или стремящи се към него. За да може да се опише преходът от някакво начално състояние към крайно състояние с помощта на уравненията на термодинамиката, е необходимо да се направи приближение на квазистатичен процес. Какво е това приближение и какви видове са тези процеси, ще разгледаме в тази статия.
Какво се разбира под квазистатичен процес?
Както знаете, термодинамиката за описание на състоянието на системата използва набор от макроскопични характеристики, които могат да бъдат измерени експериментално. Те включват налягане P, обем V и абсолютна температура T. Ако и трите величини са известни за изследваната система в даден момент, тогава те казват, че нейното състояние е определено.
Концепцията за квазистатичен процес предполага преход между две състояния. По време на този преход,Естествено, термодинамичните характеристики на системата се променят. Ако във всеки момент от време, през който преходът продължава, за системата са известни T, P и V и тя не е далеч от нейното равновесно състояние, тогава казваме, че възниква квазистатичен процес. С други думи, този процес е последователен преход между набор от равновесни състояния. Той приема, че външното влияние върху системата е незначително, така че тя да има време бързо да достигне до равновесие.
Реалните процеси не са квазистатични, така че разглежданата концепция ще бъде идеализирана. Например при разширяване или компресиране на газ в него възникват турбулентни промени и вълнови процеси, които изискват известно време за тяхното затихване. Въпреки това, в редица практически случаи, за газове, в които частиците се движат с висока скорост, равновесието се установява бързо, така че различните преходи между състоянията в тях могат да се считат за квазистатични с висока точност.
Уравнение на състоянието и видове процеси в газовете
Газът е удобно агрегатно състояние на материята за изследването му в термодинамиката. Това се дължи на факта, че за неговото описание има просто уравнение, което свързва и трите от горните термодинамични величини. Това уравнение се нарича закон на Клапейрон-Менделеев. Изглежда така:
PV=nRT
Използвайки това уравнение, всички видове изопроцеси и адиабатен преход ипостроени са графики на изобара, изотерма, изохора и адиабата. При равенство n е количеството вещество в системата, R е константа за всички газове. По-долу разглеждаме всички отбелязани типове квазистатични процеси.
Изотермичен преход
За първи път е изследван в края на 17-ти век, като се използват различни газове като пример. Съответните експерименти са проведени от Робърт Бойл и Едм Мариот. Учените стигнаха до следния резултат:
PV=const, когато T=const
Ако увеличите налягането в системата, тогава обемът й ще намалее пропорционално на това увеличение, ако системата поддържа постоянна температура. Лесно е сами да извлечете този закон от уравнението на състоянието.
Изотермата на графиката е хипербола, която се приближава към осите P и V.
Изобарни и изохорни преходи
Изобарните (при постоянно налягане) и изохорните (при постоянен обем) преходи в газовете са изследвани в началото на 19 век. Голяма заслуга в тяхното изследване и откриване на съответните закони принадлежи на французите Жак Шарл и Гей-Люсак. И двата процеса са математически представени, както следва:
V/T=const, когато P=const;
P/T=const, когато V=const
И двата израза следват от уравнението на състоянието, ако зададем съответната константа на параметъра.
Комбинирахме тези преходи под един параграф от статията, тъй като те имат едно и също графично представяне. За разлика от изотермата, изобара и изохора са прави линии, коитопоказват пряка пропорционалност между обема и температурата и съответно налягането и температурата.
Адиабатен процес
Различава се от описаните изопроцеси по това, че протича в пълна термична изолация от околната среда. В резултат на адиабатния преход газът се разширява или свива без топлообмен с околната среда. В този случай настъпва съответна промяна във вътрешната му енергия, тоест:
dU=- PdV
За да се опише адиабатен квазистатичен процес, е важно да се знаят две величини: изобарна CP и изохорна CVтоплинен капацитет. Стойността CP показва колко топлина трябва да бъде предадена на системата, така че тя да повиши температурата си с 1 K по време на изобарно разширение. Стойността CV означава същото, само за нагряване с постоянен обем.
Уравнението за този процес за идеален газ се нарича уравнение на Поасон. Записва се в параметри P и V, както следва:
PVγ=const
Тук параметърът γ се нарича адиабатен показател. То е равно на съотношението на CP и CV. За едноатомен газ γ=1,67, за двуатомен газ - 1,4, ако газът се образува от по-сложни молекули, тогава γ=1,33.
Тъй като адиабатният процес се осъществява единствено поради собствените му вътрешни енергийни ресурси, адиабатната графика в осите P-V се държи по-рязко от графиката на изотермата(хипербола).
