Kvazistatické procesy: izotermický, isobar, izochorický a adiabatický

Termodynamika - to je důležité obor fyziky, který studuje a popisuje rovnovážné nebo termodynamické systémy, které k němu směřují. Aby bylo možné pomocí termodynamických rovnic popsat přechod z nějakého počátečního stavu do konečného stavu, je nutné provést aproximaci kvazistatického procesu. Jaká je tato aproximace a jaké typy těchto procesů existují, zvažte v tomto článku.

Co je chápáno kvazi-statickým procesem?

Jak víte, termodynamika k popisu stavu systému používá soubor makroskopických charakteristik, které lze experimentálně měřit. Patří mezi ně tlak P, objem V a absolutní teplota T. Pokud jsou všechny tři veličiny v současné době pro studovaný systém známy, pak se říká, že jeho stav je definován.

Koncept kvazistatického procesu naznačuje existenci přechodu mezi dvěma stavy. V procesu takového přechodu se přirozeně mění termodynamické vlastnosti systému. Pokud jsou v každém časovém bodě, během kterého přechod pokračuje, T, P A V známé pro systém a není daleko od jeho rovnovážného stavu, pak se mluví o kvazi-statickém procesu. Jinými slovy, uvedený proces představuje postupný přechod mezi mnoha rovnovážnými stavy. Předpokládá, že vnější účinek na systém je zanedbatelný, takže má čas rychle dospět k rovnováze.

Skutečné procesy nejsou kvazistatické, takže dotyčný koncept bude idealizován. Například při expanzi nebo stlačení plynu existují turbulentní změny a vlnové procesy v něm, které naznačují nějaký čas na jejich rozpad. Přesto v řadě praktických případů pro plyny, jejichž částice se pohybují vysokou rychlostí, dochází k rychlé rovnováze, takže různé přechody mezi stavy v nich lze považovat za kvazi-statické s vysokou přesností.

Stavová rovnice a typy procesů v plynech

Plyn je vhodný agregační stav látky pro jeho studium v termodynamice. Proto pro jeho popisy existuje jednoduchá rovnice spojující všechny tři výše uvedené termodynamické veličiny. Tato rovnice se nazývá Clapeyron-Mendeleevův zákon. Má následující podobu:

P*V = n*R*T

Pomocí této rovnice jsou studovány všechny druhy izoprocesů a adiabatický přechod a jsou vykresleny isobary, izotermy, izochory a adiabaty. V rovnosti je n množství látky v systému, R je konstanta pro všechny plyny. Níže uvádíme všechny označené typy kvazistatických procesů.

Izotermický přechod

Poprvé byl studován na konci 17. století na příkladu různých plynů. Příslušné experimenty provedli Robert Boyle a EDM Mariott. Vědci dospěli k následujícímu výsledku:

P * V = const při T = const

Pokud zvýšíte tlak v systému, jeho objem se sníží úměrně tomuto zvýšení, pokud je v systému udržována konstantní teplota. Je snadné získat tento zákon ze stavové rovnice sami.

Izoterma v grafu je nadsázka, která se blíží osám P a V.

Izobarické a izochorické přechody

Isobar (při konstantním tlaku) a isochorny (při nezměněném objemu) přechody v plynech byly studovány na počátku 19. století. Velkou zásluhu na jejich studiu a objevování příslušných zákonů mají Francouzi Jacques Charles A Gay-Lussac. Oba procesy jsou matematicky reprezentovány takto:

V / t = const při P = const;

P / t = const Při V = const

Oba výrazy následují ze stavové rovnice, pokud je příslušný parametr konstantní.

Tyto přechody jsme kombinovali v rámci jednoho bodu článku, protože mají stejné grafické znázornění. Na rozdíl od izotermy jsou isobar a isochor přímky, které vykazují přímou proporcionalitu mezi objemem a teplotou a tlakem a teplotou.

Proces adiabatický

Liší se od popsaných izoprocesů tím, že uniká v úplné tepelné izolaci od okolního prostředí. V důsledku adiabatického přechodu se plyn rozpíná nebo smršťuje bez výměny tepla s vnějším prostředím. V tomto případě dochází k odpovídající změně jeho vnitřní energie, tj.:

dU = - P*dV

Pro popis adiabatického kvazistatického procesu je důležité znát dvě veličiny: isobar C_P a izochor C_V tepelná kapacita. Velikost C_P říká, kolik tepla by měl být systém informován, aby zvýšil svou teplotu o 1 K při izobarické expanzi. Velikost C_V znamená to samé, pouze pro ohřev při konstantním objemu.

Rovnice tohoto procesu pro perfektní plyn se nazývá Poissonova rovnice. Je zapsán v parametrech P a V takto:

P*V^γ = const

Zde se parametr γ nazývá exponent adiabatu. Rovná se poměru veličin C_P A C_V. Pro jednoatomový plyn γ=1,67, pro diatomic - 1,4, pokud je plyn tvořen složitějšími molekulami, pak γ=1,33.

Protože adiabatický proces probíhá výhradně z vlastních vnitřních energetických zdrojů, pak se graf adiabatu v osách P-V chová ostřeji než graf izotermy (hyperbola).