Квазістатичні процеси: ізотермічний, ізобарний, ізохорний та адіабатичний

Термодинаміка - це важливо розділ фізики, який вивчає і описує знаходяться в рівновазі або прагнуть до нього термодинамічні системи. Щоб за допомогою рівнянь термодинаміки можна було описати перехід з деякого початкового стану в кінцевий, необхідно зробити наближення квазістатичного процесу. У чому полягає це наближення, і які види цих процесів бувають, розглянемо в даній статті.

Що розуміють під квазістатичним процесом?

Як відомо, термодинаміка для опису стану системи використовує набір макроскопічних характеристик, які можна виміряти експериментально. До них відносяться тиск P, об`єм V і абсолютна температура T. Якщо всі три величини в даний момент для досліджуваної системи відомі, то говорять про те, що її стан визначено.

Поняття квазістатичного процесу передбачає наявність переходу між двома станами. В процесі такого переходу, природно, термодинамічні характеристики системи змінюються. Якщо в кожен момент часу, в процесі якого триває перехід, T, P і V відомі для системи, і вона знаходиться недалеко від свого рівноважного стану, то говорять про те, що відбувається квазістатичний процес. Іншими словами, зазначений процес являє собою послідовний перехід між безліччю рівноважних станів. Він припускає, що зовнішній вплив на систему є незначним, щоб вона встигала швидко приходити до рівноваги.

Реальні процеси не є квазістатичними, тому розглянуте поняття буде ідеалізованим. Наприклад, при розширенні або стисненні газу існують турбулентні зміни і хвильові процеси в ньому, які припускають деякий час для їх загасання. Проте в ряді практичних випадків для газів, частинки в яких рухаються з великими швидкостями, рівновага настає швидко, тому різні переходи між станами в них можна вважати з високою точністю квазістатичними.

Рівняння стану і види процесів в газах

Газ є зручним агрегатним станом речовини для його вивчення в термодинаміці. Пов`язано це з тим, що для його описи існує просте рівняння, що пов`язує всі три згадані вище термодинамічні величини. Це рівняння називається законом Клапейрона-Менделєєва. Воно має наступний вигляд:

P*V = n*R*T

З використанням цього рівняння вивчаються всі види ізопроцесів і адіабатичний перехід і будуються графіки ізобари, ізотерми, ізохори і адіабати. У рівності n-це кількість речовини в системі, R-постійна для всіх газів. Нижче розглянемо всі зазначені види квазістатичних процесів.

Ізотермічний перехід

Він вперше був вивчений в кінці XVII століття на прикладі різних газів. Відповідні експерименти були поставлені Робертом Бойлем і Едмом Маріоттом. Вчені прийшли до наступного результату:

P * V = const при T = const

Якщо збільшувати тиск в системі, то її обсяг буде зменшуватися пропорційно цьому збільшенню, якщо в системі підтримується постійною температура. Нескладно отримати цей закон з рівняння стану самостійно.

Ізотерма на графіку-це гіпербола, яка наближається до осей P і V.

Ізобарний та ізохорний переходи

Ізобарний (при постійному тиску) і ізохорний (при незмінному обсязі) переходи в газах були вивчені на початку XIX століття. Великі заслуги в їх вивченні і відкритті відповідних законів належать французам Жаку Шарлю і Гей-Люссаку. Обидва процеси математично подаються наступним чином:

V / T = const при P = const;

P / T = const при V = const

Обидва вирази випливають з рівняння стану, якщо поставити відповідний параметр постійним.

Ми об`єднали ці переходи в рамках одного пункту статті тому, що вони мають однакове графічне представлення. На відміну від ізотерми, ізобара та ізохора-це прямі лінії, які показують пряму пропорційність між об`ємом та температурою та тиском та температурою відповідно.

Процес адіабатичний

Він відрізняється від описаних ізопроцесів тим, що протікає в повній тепловій ізоляції від навколишнє середовище. В результаті адіабатичного переходу газ розширюється або стискається без обміну теплом із зовнішнім середовищем. При цьому відбувається відповідна зміна його внутрішньої енергії, тобто:

dU = - P*dV

Для опису адіабатичного квазістатичного процесу важливо знати дві величини: ізобарну C_P і ізохорну C_V теплоємність. Величина C_P говорить про те, скільки теплоти слід повідомити системі, щоб вона збільшила свою температуру на 1 До при изобарном розширенні. Величина C_V чи означає Те ж саме, тільки для нагріву при постійному обсязі.

Рівняння цього процесу для ідеального газу називається рівнянням Пуассона. Воно в параметрах P і V записується так:

P*V^γ = const

Тут параметр γ називається показником адіабати. Він дорівнює відношенню величин C_P і C_V. Задля одноатомного газу γ=1,67, для двоатомного - 1,4, якщо газ утворений більш складними молекулами, то γ=1,33.

Оскільки адіабатичний процес відбувається виключно за рахунок власних внутрішніх енергетичних ресурсів, то графік адіабати в осях P-V поводиться більш різко, ніж графік ізотерми (гіпербола).