Процеси ізобарний, ізохорний, ізотермічний та адіабатний для ідеального газу

Знання визначень у фізиці є ключовим фактором для успішного вирішення різних фізичних проблем. У статті розглянемо, що розуміють під процесами ізобарним, ізохорним, ізотермічним і адіабатним для ідеальної газової системи.

Ідеальний газ і його рівняння

Перш ніж переходити до опису ізобарного, ізохорного та ізотермічного процесів, розглянемо, що таке ідеальний газ. Під цим визначенням у фізиці вважають систему, що складається з величезної кількості безрозмірних і невзаємодіючих частинок, які рухаються з великими швидкостями у всіх напрямках. По суті, мова йде про газовому агрегатному стані речовини, в якому відстані між атомами і молекулами набагато перевищують їх розміри і в якому потенційною енергією взаємодії частинок нехтують через її малості, в порівнянні з енергією кінетичної.

Станом ідеального газу називається сукупність його термодинамічних параметрів. Головними з них є температура, обсяг і тиск. Позначимо їх буквами T, V і P, відповідно. У 30-ті роки XIX століття Клапейрон (французький вчений) вперше записав рівняння, яке об`єднує зазначені термодинамічні параметри в рамках єдиної рівності. Воно має вигляд:

P*V = n*R*T,

де n і R-речовини кількість і газова константа відповідно.

Що таке ізопроцеси в газах?

Як багато хто помітив, ізобарний, ізохорний і ізотермічний процеси в своїй назві використовують одну і ту ж приставку "Ізо". Вона означає рівність одного термодинамічного параметра під час проходження всього процесу, при цьому інші параметри змінюються. Наприклад, ізотермічний процес говорить про те, що в його результаті абсолютна температура системи підтримується постійною, а ізохорний процес свідчить про сталість обсягу.

Ізопроцеси зручно вивчати, оскільки фіксація одного з термодинамічних параметрів призводить до спрощення загального рівняння стану газу. Важливо відзначити, що газові закони для всіх названих ізопроцесів були відкриті експериментально. Їх аналіз дозволив Клапейрону отримати наведене універсальне рівняння.

Ізобарний, ізохорний та ізотермічний процеси

Першим був відкритий закон для ізотермічного процесу в ідеальному газі. Зараз він називається Законом Бойля-Маріотта. Оскільки T не змінюється, то з рівняння стану випливає рівність:

P*V = const.

Іншими словами, будь-яка зміна тиску в системі призводить до обернено пропорційного зміни її обсягу, якщо підтримувати постійною температуру газу. Графіком функції P (V) є гіпербола.

Ізобарний процес-це така зміна стану системи, при якому тиск залишається постійним. Зафіксувавши величину P в рівнянні Клапейрона, отримуємо наступний закон:

V/T = const.

Це рівність носить прізвище французького фізика Жака Шарля, який отримав його в кінці XVIII століття. Ізобара(графічне зображення функції V (T)) виглядає як пряма лінія. Чим більше тиск в системі, тим швидше зростає ця лінія.

Ізобарний процес легко здійснити, якщо під поршнем нагрівати газ. Молекули останнього збільшують свою швидкість (кінетичну енергію), створюють більш високий тиск на поршень, що призводить до розширення газу і підтримці постійної величини P.

Нарешті, третій ізопроцес-ізохорний. Він проходить з постійним обсягом. З рівняння стану отримуємо відповідну рівність:

P/T = const.

Воно серед фізиків відоме як закон Гей-Люссака. Пряма пропорційність між тиском і абсолютною температурою говорить про те, що графік ізохорного процесу, як і графік ізобарного, являє собою пряму лінію з позитивним коефіцієнтом нахилу.

Важливо розуміти, що всі ізопроцеси протікають в закритих системах, тобто в їх ході величина N зберігається.

Адіабатний процес

Цей процес не відноситься до категорії "Ізо", оскільки при його проходженні змінюються всі три термодинамічні параметри. Адіабатним називають перехід між двома станами системи, при якому вона не обмінюється теплотою з навколишнє середовище. Так, розширення системи здійснюється за рахунок її внутрішніх запасів енергії, що призводить до значного падіння тиску і абсолютної температури в ній.

Адіабатний процес для ідеального газу описують рівняннями Пуассона. Одне з них наводиться нижче:

P*V^γ = const,

де γ - це відношення теплоємностей при постійному тиску і при постійному обсязі.

Графік адіабати відрізняється від графіка ізохорного процесу і від графіка ізобарного, проте він схожий на гіперболу (ізотерму). Адіабата в осях P-V поводиться більш різко, ніж ізотерма.