Η γνώση των ορισμών στη φυσική είναι βασικός παράγοντας για την επιτυχή επίλυση διαφόρων φυσικών προβλημάτων. Στο άρθρο, θα εξετάσουμε τι σημαίνει ισοβαρικές, ισοχωρικές, ισόθερμες και αδιαβατικές διεργασίες για ένα ιδανικό σύστημα αερίων.
Ιδανικό αέριο και η εξίσωσή του
Πριν προχωρήσουμε στην περιγραφή των ισοβαρών, ισοχωρικών και ισοθερμικών διεργασιών, ας εξετάσουμε τι είναι το ιδανικό αέριο. Σύμφωνα με αυτόν τον ορισμό στη φυσική θεωρούν ένα σύστημα που αποτελείται από έναν τεράστιο αριθμό αδιάστατων και μη αλληλεπιδρώντων σωματιδίων που κινούνται με υψηλές ταχύτητες προς όλες τις κατευθύνσεις. Στην πραγματικότητα, μιλάμε για μια αέρια αθροιστική κατάσταση της ύλης, στην οποία οι αποστάσεις μεταξύ ατόμων και μορίων υπερβαίνουν κατά πολύ τα μεγέθη τους και στην οποία η δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασης των σωματιδίων αγνοείται λόγω της μικρότητάς της, σε σύγκριση με την κινητική ενέργεια.
Η κατάσταση ενός ιδανικού αερίου είναι το σύνολο των θερμοδυναμικών παραμέτρων του. Τα κυριότερα είναι η θερμοκρασία, ο όγκος και η πίεση. Ας τα συμβολίσουμε με τα γράμματα T, V και P, αντίστοιχα. Στη δεκαετία του '30 του XIX αιώναΟ Clapeyron (ένας Γάλλος επιστήμονας) έγραψε για πρώτη φορά μια εξίσωση που συνδυάζει τις υποδεικνυόμενες θερμοδυναμικές παραμέτρους σε μια ενιαία ισότητα. Μοιάζει με:
PV=nRT,
όπου n και R είναι η ποσότητα των ουσιών και η σταθερά του αερίου, αντίστοιχα.
Τι είναι οι ισοδιεργασίες στα αέρια;
Όπως πολλοί έχουν παρατηρήσει, οι ισοβαρικές, ισοχωρικές και ισόθερμες διεργασίες χρησιμοποιούν το ίδιο πρόθεμα "iso" στα ονόματά τους. Σημαίνει την ισότητα μιας θερμοδυναμικής παραμέτρου κατά το πέρασμα της όλης διαδικασίας, ενώ οι υπόλοιπες παράμετροι αλλάζουν. Για παράδειγμα, μια ισοθερμική διεργασία υποδηλώνει ότι, ως αποτέλεσμα, η απόλυτη θερμοκρασία του συστήματος διατηρείται σταθερή, ενώ μια ισοχωρική διεργασία υποδεικνύει σταθερό όγκο.
Οι ισοδιεργασίες είναι βολικές στη μελέτη, αφού ο καθορισμός μιας από τις θερμοδυναμικές παραμέτρους οδηγεί σε απλοποίηση της γενικής εξίσωσης της κατάστασης του αερίου. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι οι νόμοι των αερίων για όλες αυτές τις ισοδιεργασίες ανακαλύφθηκαν πειραματικά. Η ανάλυσή τους επέτρεψε στον Clapeyron να αποκτήσει τη μειωμένη καθολική εξίσωση.
Ισοβαρικές, ισοχωρικές και ισοθερμικές διεργασίες
Ο πρώτος νόμος ανακαλύφθηκε για μια ισοθερμική διεργασία σε ένα ιδανικό αέριο. Τώρα ονομάζεται νόμος Boyle-Mariotte. Εφόσον το T δεν αλλάζει, η εξίσωση της κατάστασης συνεπάγεται την ισότητα:
PV=συνεχ.
Με άλλα λόγια, οποιαδήποτε μεταβολή της πίεσης στο σύστημα οδηγεί σε αντιστρόφως ανάλογη μεταβολή του όγκου του, εάν η θερμοκρασία του αερίου διατηρείται σταθερή. Η γραφική παράσταση της συνάρτησης P(V) είναιυπερβολή.
Ισοβαρική διαδικασία - αυτή είναι μια αλλαγή στην κατάσταση του συστήματος, στην οποία η πίεση παραμένει σταθερή. Έχοντας καθορίσει την τιμή του P στην εξίσωση Clapeyron, λαμβάνουμε τον ακόλουθο νόμο:
V/T=συνεχ.
Αυτή η ισότητα φέρει το όνομα του Γάλλου φυσικού Jacques Charles, ο οποίος την έλαβε στα τέλη του 18ου αιώνα. Η ισοβαρή (γραφική αναπαράσταση της συνάρτησης V(T)) μοιάζει με ευθεία γραμμή. Όσο περισσότερη πίεση στο σύστημα, τόσο πιο γρήγορα ανεβαίνει αυτή η γραμμή.
Η ισοβαρική διαδικασία είναι εύκολο να εφαρμοστεί εάν το αέριο θερμαίνεται κάτω από το έμβολο. Τα μόρια του τελευταίου αυξάνουν την ταχύτητά τους (κινητική ενέργεια), δημιουργούν μεγαλύτερη πίεση στο έμβολο, η οποία οδηγεί στη διαστολή του αερίου και στη διατήρηση σταθερής τιμής του P.
Τέλος, η τρίτη ισοδιεργασία είναι ισοχορική. Λειτουργεί με σταθερή ένταση. Από την εξίσωση κατάστασης παίρνουμε την αντίστοιχη ισότητα:
P/T=συνεχ.
Είναι γνωστός στους φυσικούς ως νόμος του Gay-Lussac. Η άμεση αναλογία μεταξύ πίεσης και απόλυτης θερμοκρασίας δείχνει ότι το γράφημα της ισοχωρικής διαδικασίας, όπως και το γράφημα της ισοβαρικής, είναι μια ευθεία γραμμή με θετική κλίση.
Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε ότι όλες οι ισοδιεργασίες συμβαίνουν σε κλειστά συστήματα, δηλαδή, η τιμή του n διατηρείται κατά τη διάρκεια της πορείας τους.
Αδιαβατική διεργασία
Αυτή η διαδικασία δεν ανήκει στην κατηγορία "iso", αφού και οι τρεις θερμοδυναμικές παράμετροι αλλάζουν κατά τη διέλευσή της. αδιαβατικόςονομάζεται η μετάβαση μεταξύ δύο καταστάσεων του συστήματος, κατά τις οποίες δεν ανταλλάσσει θερμότητα με το περιβάλλον. Έτσι, η διαστολή του συστήματος πραγματοποιείται λόγω των εσωτερικών του ενεργειακών αποθεμάτων, γεγονός που οδηγεί σε σημαντική πτώση της πίεσης και απόλυτης θερμοκρασίας σε αυτό.
Η αδιαβατική διαδικασία για ένα ιδανικό αέριο περιγράφεται από τις εξισώσεις του Poisson. Ένα από αυτά φαίνεται παρακάτω:
PVγ=const,
όπου γ είναι ο λόγος των θερμικών ικανοτήτων σε σταθερή πίεση και σε σταθερό όγκο.
Το αδιαβατικό γράφημα διαφέρει από το γράφημα της ισοχωρικής διαδικασίας και από το ισοβαρικό γράφημα, αλλά είναι παρόμοιο με μια υπερβολή (ισόθερμος). Το adiabat στους άξονες P-V συμπεριφέρεται πιο έντονα από την ισόθερμη.
