Познаването на дефинициите във физиката е ключов фактор за успешното решаване на различни физически проблеми. В статията ще разгледаме какво се разбира под изобарни, изохорни, изотермични и адиабатни процеси за идеална газова система.
Идеален газ и неговото уравнение
Преди да пристъпим към описанието на изобарните, изохорните и изотермичните процеси, нека помислим какво е идеален газ. Под тази дефиниция във физиката те разглеждат система, състояща се от огромен брой безразмерни и невзаимодействащи частици, които се движат с високи скорости във всички посоки. Всъщност говорим за газообразно агрегатно състояние на материята, при което разстоянията между атомите и молекулите далеч надвишават техните размери и при което потенциалната енергия на взаимодействие на частиците се пренебрегва поради нейната малка в сравнение с кинетичната енергия.
Състоянието на идеалния газ е съвкупността от неговите термодинамични параметри. Основните са температура, обем и налягане. Нека ги обозначим съответно с буквите T, V и P. През 30-те години на XIX векКлапейрон (френски учен) за първи път записва уравнение, което комбинира посочените термодинамични параметри в рамките на едно равенство. Изглежда така:
PV=nRT,
където n и R са съответно количеството вещества и газовата константа.
Какво представляват изопроцесите в газовете?
Както мнозина са забелязали, изобарните, изохорните и изотермичните процеси използват един и същ префикс "iso" в имената си. Това означава равенство на един термодинамичен параметър по време на преминаването на целия процес, докато останалите параметри се променят. Например, изотермичен процес показва, че в резултат на това абсолютната температура на системата се поддържа постоянна, докато изохорният процес показва постоянен обем.
Изопроцесите са удобни за изследване, тъй като фиксирането на един от термодинамичните параметри води до опростяване на общото уравнение на състоянието на газа. Важно е да се отбележи, че газовите закони за всички тези изопроцеси са открити експериментално. Техният анализ позволи на Клапейрон да получи намаленото универсално уравнение.
Изобарни, изохорни и изотермични процеси
Първият закон е открит за изотермичен процес в идеален газ. Сега се нарича закон на Бойл-Мариот. Тъй като T не се променя, уравнението на състоянието предполага равенството:
PV=const.
С други думи, всяка промяна в налягането в системата води до обратно пропорционална промяна в нейния обем, ако температурата на газа се поддържа постоянна. Графиката на функцията P(V) ехипербола.
Изобарен процес - това е промяна в състоянието на системата, при която налягането остава постоянно. След като фиксираме стойността на P в уравнението на Клапейрон, получаваме следния закон:
V/T=const.
Това равенство носи името на френския физик Жак Шарл, който го получава в края на 18-ти век. Изобарата (графично представяне на функцията V(T)) изглежда като права линия. Колкото по-голямо е налягането в системата, толкова по-бързо се издига тази линия.
Изобарният процес е лесен за изпълнение, ако газът се нагрява под буталото. Молекулите на последните увеличават скоростта си (кинетичната енергия), създават по-високо налягане върху буталото, което води до разширяване на газа и поддържане на постоянна стойност на P.
Накрая, третият изопроцес е изохоричен. Работи с постоянен обем. От уравнението на състоянието получаваме съответното равенство:
P/T=const.
Той е известен сред физиците като закон на Гей-Люсак. Пряката пропорционалност между налягането и абсолютната температура показва, че графиката на изохорния процес, подобно на графиката на изобарната, е права линия с положителен наклон.
Важно е да се разбере, че всички изопроцеси се случват в затворени системи, тоест стойността на n се запазва по време на техния ход.
Адиабатен процес
Този процес не принадлежи към категорията "iso", тъй като и трите термодинамични параметъра се променят по време на преминаването му. адиабатеннаречен преход между две състояния на системата, при които тя не обменя топлина с околната среда. По този начин разширяването на системата се осъществява поради нейните вътрешни енергийни резерви, което води до значително спадане на налягането и абсолютната температура в нея.
Адиабатният процес за идеален газ се описва с уравненията на Поасон. Един от тях е показан по-долу:
PVγ=const,
където γ е съотношението на топлинните мощности при постоянно налягане и при постоянен обем.
Адиабатната графика се различава от графиката на изохорния процес и от изобарната графика, но е подобна на хипербола (изотерма). Адиабата в P-V осите се държи по-рязко от изотермата.
