Η Θερμοδυναμική είναι ένας σημαντικός κλάδος της φυσικής που μελετά και περιγράφει θερμοδυναμικά συστήματα που βρίσκονται σε ισορροπία ή τείνουν προς αυτήν. Για να μπορέσουμε να περιγράψουμε τη μετάβαση από κάποια αρχική κατάσταση σε μια τελική κατάσταση χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις της θερμοδυναμικής, είναι απαραίτητο να γίνει μια προσέγγιση μιας οιονεί στατικής διαδικασίας. Τι είναι αυτή η προσέγγιση και ποιοι είναι οι τύποι αυτών των διαδικασιών, θα εξετάσουμε σε αυτό το άρθρο.
Τι σημαίνει μια οιονεί στατική διεργασία;
Όπως γνωρίζετε, η θερμοδυναμική για να περιγράψει την κατάσταση του συστήματος χρησιμοποιεί ένα σύνολο μακροσκοπικών χαρακτηριστικών που μπορούν να μετρηθούν πειραματικά. Αυτά περιλαμβάνουν την πίεση P, τον όγκο V και την απόλυτη θερμοκρασία T. Εάν και οι τρεις ποσότητες είναι γνωστές για το υπό μελέτη σύστημα σε μια δεδομένη στιγμή, τότε λένε ότι η κατάστασή του έχει προσδιοριστεί.
Η έννοια μιας οιονεί στατικής διαδικασίας συνεπάγεται μια μετάβαση μεταξύ δύο καταστάσεων. Κατά τη διάρκεια αυτής της μετάβασης,Φυσικά, τα θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά του συστήματος αλλάζουν. Εάν σε κάθε χρονική στιγμή κατά την οποία συνεχίζεται η μετάβαση, τα T, P και V είναι γνωστά για το σύστημα και δεν απέχει πολύ από την κατάσταση ισορροπίας του, τότε λέμε ότι συμβαίνει μια οιονεί στατική διαδικασία. Με άλλα λόγια, αυτή η διαδικασία είναι μια διαδοχική μετάβαση μεταξύ ενός συνόλου καταστάσεων ισορροπίας. Υποθέτει ότι η εξωτερική επιρροή στο σύστημα είναι ασήμαντη, ώστε να έχει χρόνο να έρθει γρήγορα σε ισορροπία.
Οι πραγματικές διαδικασίες δεν είναι σχεδόν στατικές, επομένως η υπό εξέταση έννοια θα εξιδανικευτεί. Για παράδειγμα, κατά τη διαστολή ή τη συμπίεση ενός αερίου, υπάρχουν τυρβώδεις αλλαγές και διεργασίες κυμάτων σε αυτό, οι οποίες απαιτούν κάποιο χρόνο για την εξασθένησή τους. Ωστόσο, σε ορισμένες πρακτικές περιπτώσεις, για τα αέρια στα οποία τα σωματίδια κινούνται με υψηλές ταχύτητες, η ισορροπία επέρχεται γρήγορα, έτσι οι διάφορες μεταβάσεις μεταξύ των καταστάσεων σε αυτά μπορούν να θεωρηθούν σχεδόν στατικές με υψηλή ακρίβεια.
Εξίσωση κατάστασης και τύπων διεργασιών στα αέρια
Το αέριο είναι μια βολική αθροιστική κατάσταση της ύλης για τη μελέτη του στη θερμοδυναμική. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι για την περιγραφή του υπάρχει μια απλή εξίσωση που συσχετίζει και τα τρία παραπάνω θερμοδυναμικά μεγέθη. Αυτή η εξίσωση ονομάζεται νόμος Clapeyron-Mendeleev. Μοιάζει με αυτό:
PV=nRT
Χρησιμοποιώντας αυτήν την εξίσωση, όλα τα είδη ισοδιαδικασιών και αδιαβατικής μετάβασης καιΚατασκευάζονται γραφήματα της ισοβαρής, της ισόθερμης, της ισοχώρης και του αδιαβάτ. Στην ισότητα, n είναι η ποσότητα της ουσίας στο σύστημα, R είναι μια σταθερά για όλα τα αέρια. Παρακάτω εξετάζουμε όλους τους σημειωμένους τύπους οιονεί στατικών διεργασιών.
Ισοθερμική μετάβαση
Μελετήθηκε για πρώτη φορά στα τέλη του 17ου αιώνα χρησιμοποιώντας διάφορα αέρια ως παράδειγμα. Τα αντίστοιχα πειράματα πραγματοποιήθηκαν από τους Robert Boyle και Edm Mariotte. Οι επιστήμονες κατέληξαν στο εξής αποτέλεσμα:
PV=const όταν T=const
Αν αυξήσετε την πίεση στο σύστημα, τότε ο όγκος του θα μειωθεί ανάλογα με αυτήν την αύξηση, εάν το σύστημα διατηρεί σταθερή θερμοκρασία. Είναι εύκολο να εξαγάγετε αυτόν τον νόμο από την εξίσωση της κατάστασης μόνοι σας.
Η ισόθερμη στο γράφημα είναι μια υπερβολή που προσεγγίζει τους άξονες P και V.
Ισοβαρικές και ισοχορικές μεταβάσεις
Ισοβαρικές (σε σταθερή πίεση) και ισοχορικές (σε σταθερό όγκο) μεταπτώσεις στα αέρια μελετήθηκαν στις αρχές του 19ου αιώνα. Μεγάλη αξία στη μελέτη τους και την ανακάλυψη των σχετικών νόμων ανήκει στους Γάλλους Ζακ Σαρλ και Γκέι-Λουσάκ. Και οι δύο διαδικασίες αντιπροσωπεύονται μαθηματικά ως εξής:
V/T=const όταν P=const;
P/T=const όταν V=const
Και οι δύο παραστάσεις προκύπτουν από την εξίσωση κατάστασης εάν ορίσουμε την αντίστοιχη παράμετρο σταθερά.
Έχουμε συνδυάσει αυτές τις μεταβάσεις σε μία παράγραφο του άρθρου επειδή έχουν την ίδια γραφική αναπαράσταση. Σε αντίθεση με την ισόθερμη, η ισοβαρή και η ισόχορη είναι ευθείες γραμμές πουδείχνουν άμεση αναλογικότητα μεταξύ όγκου και θερμοκρασίας και πίεσης και θερμοκρασίας αντίστοιχα.
Αδιαβατική διεργασία
Διαφέρει από τις περιγραφόμενες ισοδιεργασίες στο ότι προχωρά σε πλήρη θερμική απομόνωση από το περιβάλλον. Ως αποτέλεσμα της αδιαβατικής μετάπτωσης, το αέριο διαστέλλεται ή συστέλλεται χωρίς ανταλλαγή θερμότητας με το περιβάλλον. Σε αυτή την περίπτωση, συμβαίνει μια αντίστοιχη αλλαγή στην εσωτερική του ενέργεια, δηλαδή:
dU=- PdV
Για να περιγράψουμε μια αδιαβατική οιονεί στατική διαδικασία, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε δύο ποσότητες: ισοβαρική CP και ισοχορική CVθερμοχωρητικότητα. Η τιμή CP λέει πόση θερμότητα πρέπει να μεταδοθεί στο σύστημα έτσι ώστε να αυξήσει τη θερμοκρασία του κατά 1 K κατά την ισοβαρική διαστολή. Η τιμή CV σημαίνει το ίδιο, μόνο για θέρμανση σταθερού όγκου.
Η εξίσωση αυτής της διαδικασίας για ένα ιδανικό αέριο ονομάζεται εξίσωση Poisson. Γράφεται στις παραμέτρους P και V ως εξής:
PVγ=const
Εδώ η παράμετρος γ ονομάζεται αδιαβατικός εκθέτης. Είναι ίσος με την αναλογία CP και CV. Για ένα μονοατομικό αέριο γ=1,67, για ένα διατομικό αέριο - 1,4, εάν το αέριο σχηματίζεται από πιο πολύπλοκα μόρια, τότε γ=1,33.
Δεδομένου ότι η αδιαβατική διεργασία συμβαίνει αποκλειστικά λόγω των δικών της εσωτερικών ενεργειακών πόρων, το αδιαβατικό γράφημα στους άξονες P-V συμπεριφέρεται πιο έντονα από το ισόθερμο γράφημα(υπερβολία).
