Termodinamika is 'n belangrike tak van fisika wat termodinamiese stelsels in ewewig bestudeer en beskryf in ewewig of daarheen neig. Om die oorgang van een of ander begintoestand na 'n finale toestand te kan beskryf deur die termodinamikavergelykings te gebruik, is dit nodig om 'n benadering van 'n kwasi-statiese proses te maak. Wat is hierdie benadering, en watter tipe van hierdie prosesse is, sal ons in hierdie artikel oorweeg.
Wat word bedoel met 'n kwasi-statiese proses?
Soos jy weet, gebruik termodinamika om die toestand van die stelsel te beskryf 'n stel makroskopiese eienskappe wat eksperimenteel gemeet kan word. Dit sluit in druk P, volume V en absolute temperatuur T. As al drie hoeveelhede bekend is vir die sisteem wat bestudeer word op 'n gegewe oomblik, dan sê hulle dat die toestand daarvan bepaal is.
Die konsep van 'n kwasi-statiese proses impliseer 'n oorgang tussen twee state. Tydens hierdie oorgang,Natuurlik verander die termodinamiese eienskappe van die stelsel. As op elke oomblik van tyd waartydens die oorgang voortduur, T, P en V vir die sisteem bekend is, en dit is nie ver van sy ewewigstoestand af nie, dan sê ons dat 'n kwasi-statiese proses plaasvind. Met ander woorde, hierdie proses is 'n opeenvolgende oorgang tussen 'n stel ewewigstoestande. Hy neem aan dat die eksterne invloed op die sisteem onbeduidend is sodat dit tyd het om vinnig tot ewewig te kom.
Regte prosesse is nie kwasi-staties nie, so die konsep wat oorweeg word, sal geïdealiseer word. Byvoorbeeld, wanneer 'n gas uitbrei of saamgepers word, is daar turbulente veranderinge en golfprosesse daarin, wat 'n geruime tyd nodig het vir hul verswakking. Nietemin, in 'n aantal praktiese gevalle, vir gasse waarin deeltjies teen hoë spoed beweeg, tree ewewig vinnig in, sodat verskeie oorgange tussen toestande daarin met hoë akkuraatheid as kwasi-staties beskou kan word.
Vergelyking van toestand en tipes prosesse in gasse
Gas is 'n gerieflike totale toestand van materie vir sy studie in termodinamika. Dit is te wyte aan die feit dat daar 'n eenvoudige vergelyking vir die beskrywing daarvan is wat al drie bogenoemde termodinamiese groothede in verband bring. Hierdie vergelyking word die Clapeyron-Mendeleev-wet genoem. Dit lyk so:
PV=nRT
Deur hierdie vergelyking te gebruik, alle soorte isoprosesse en adiabatiese oorgang engrafieke van die isobaar, isoterm, isochoor en adiabat word saamgestel. In gelykheid is n die hoeveelheid stof in die sisteem, R is 'n konstante vir alle gasse. Hieronder kyk ons na al die bekende tipes kwasi-statiese prosesse.
Isotermiese oorgang
Dit is vir die eerste keer aan die einde van die 17de eeu bestudeer deur verskeie gasse as voorbeeld te gebruik. Die ooreenstemmende eksperimente is deur Robert Boyle en Edm Mariotte uitgevoer. Wetenskaplikes het met die volgende resultaat vorendag gekom:
PV=konst wanneer T=konst
As jy die druk in die stelsel verhoog, sal die volume daarvan afneem in verhouding tot hierdie toename, as die stelsel 'n konstante temperatuur handhaaf. Dit is maklik om self hierdie wet uit die toestandsvergelyking af te lei.
Die isoterm op die grafiek is 'n hiperbool wat die P- en V-asse nader.
Isobariese en isochoriese oorgange
Isobariese (by konstante druk) en isochoriese (by konstante volume) oorgange in gasse is aan die begin van die 19de eeu bestudeer. Groot verdienste in hul studie en ontdekking van die relevante wette behoort aan die Franse Jacques Charles en Gay-Lussac. Beide prosesse word wiskundig soos volg voorgestel:
V/T=konst wanneer P=konst;
P/T=konst wanneer V=konst
Albei uitdrukkings volg uit die toestandsvergelyking as ons die ooreenstemmende parameter konstant stel.
Ons het hierdie oorgange onder een paragraaf van die artikel gekombineer omdat hulle dieselfde grafiese voorstelling het. Anders as die isoterm, is die isobar en isochoor reguit lyne wattoon direkte eweredigheid tussen volume en temperatuur en druk en temperatuur onderskeidelik.
Adiabatiese proses
Dit verskil van die beskryfde isoprosesse deurdat dit in algehele termiese isolasie van die omgewing voortgaan. As gevolg van die adiabatiese oorgang, sit die gas uit of trek saam sonder hitte-uitruiling met die omgewing. In hierdie geval vind 'n ooreenstemmende verandering in sy interne energie plaas, dit is:
dU=- PdV
Om 'n adiabatiese kwasi-statiese proses te beskryf, is dit belangrik om twee hoeveelhede te ken: isobariese CP en isochoriese CVhittekapasiteit. Die waarde CP vertel hoeveel hitte aan die stelsel oorgedra moet word sodat dit sy temperatuur met 1 K verhoog tydens isobariese uitsetting. Die waarde CV beteken dieselfde, net vir konstante volume verhitting.
Die vergelyking vir hierdie proses vir 'n ideale gas word die Poisson-vergelyking genoem. Dit word soos volg in parameters P en V geskryf:
PVγ=konst
Hier word die parameter γ die adiabatiese eksponent genoem. Dit is gelyk aan die verhouding van CP en CV. Vir 'n monatomiese gas γ=1.67, vir 'n diatomiese gas - 1.4, as die gas deur meer komplekse molekules gevorm word, dan is γ=1.33.
Aangesien die adiabatiese proses uitsluitlik plaasvind as gevolg van sy eie interne energiebronne, tree die adiabatiese grafiek in die P-V-asse skerper op as die isoterm-grafiek(hiperbool).
