Termodünaamika on oluline füüsika haru, mis uurib ja kirjeldab tasakaalus või sellele kalduvaid termodünaamilisi süsteeme. Selleks, et termodünaamika võrrandite abil oleks võimalik kirjeldada üleminekut mingist algolekust lõppolekusse, on vaja teha kvaasistaatilise protsessi lähendus. Mis see ligikaudne on ja mis tüüpi need protsessid on, käsitleme selles artiklis.
Mida tähendab kvaasistaatiline protsess?
Nagu teate, kasutab termodünaamika süsteemi oleku kirjeldamiseks makroskoopiliste karakteristikute komplekti, mida saab katseliselt mõõta. Nende hulka kuuluvad rõhk P, maht V ja absoluutne temperatuur T. Kui kõik kolm suurust on antud hetkel uuritava süsteemi kohta teada, siis öeldakse, et selle olek on määratud.
Kvaasistaatilise protsessi mõiste hõlmab üleminekut kahe oleku vahel. Selle ülemineku ajalLoomulikult muutuvad süsteemi termodünaamilised omadused. Kui igal ajahetkel, mille jooksul üleminek jätkub, on süsteemi jaoks teada T, P ja V ning see ei ole tasakaaluolekust kaugel, siis me ütleme, et toimub kvaasistaatiline protsess. Teisisõnu, see protsess on järjestikune üleminek tasakaaluolekute komplekti vahel. Ta eeldab, et väline mõju süsteemile on ebaoluline, nii et sellel on aega kiiresti tasakaalu saada.
Reaalsed protsessid ei ole kvaasistaatilised, mistõttu vaadeldav kontseptsioon idealiseeritakse. Näiteks gaasi paisumisel või kokkusurumisel toimuvad selles turbulentsed muutused ja lainelised protsessid, mille sumbumine nõuab teatud aega. Sellegipoolest saab paljudel praktilistel juhtudel gaaside puhul, milles osakesed liiguvad suurel kiirusel, tasakaal kiiresti, nii et erinevaid üleminekuid nendes olekute vahel võib pidada suure täpsusega kvaasistaatilisteks.
Gaasides esinevate protsesside oleku ja tüüpide võrrand
Gaas on termodünaamika uurimiseks mugav aine agregaatolek. Selle põhjuseks on asjaolu, et selle kirjeldamiseks on olemas lihtne võrrand, mis seob kõiki kolme ül altoodud termodünaamilist suurust. Seda võrrandit nimetatakse Clapeyroni-Mendelejevi seaduseks. See näeb välja selline:
PV=nRT
Seda võrrandit kasutades kõikvõimalikud isoprotsessid ja adiabaatilised üleminekud jakoostatakse isobaari, isotermi, isohoori ja adiabaadi graafikud. Võrdsuse korral on n aine kogus süsteemis, R on kõigi gaaside konstant. Allpool käsitleme kõiki märgitud kvaasistaatiliste protsesside tüüpe.
Isotermiline üleminek
Seda uuriti esmakordselt 17. sajandi lõpus, kasutades näitena erinevaid gaase. Vastavad katsed viisid läbi Robert Boyle ja Edm Mariotte. Teadlased jõudsid järgmise tulemuseni:
PV=const, kui T=const
Kui tõstate süsteemis rõhku, väheneb selle maht proportsionaalselt selle tõusuga, kui süsteem hoiab püsivat temperatuuri. Seda seadust on lihtne olekuvõrrandist ise tuletada.
Isoterm graafikul on hüperbool, mis läheneb P- ja V-teljele.
Isobaarilised ja isohoorilised üleminekud
Isobaarilisi (konstantsel rõhul) ja isohoorilisi (konstantse mahuga) üleminekuid gaasides uuriti 19. sajandi alguses. Suur teene asjakohaste seaduste uurimisel ja avastamisel kuulub prantslastele Jacques Charlesile ja Gay-Lussacile. Mõlemad protsessid on matemaatiliselt esitatud järgmiselt:
V/T=const, kui P=const;
P/T=const, kui V=const
Mõlemad avaldised tulenevad olekuvõrrandist, kui seame vastava parameetri konstandi.
Me ühendasime need üleminekud artikli ühe lõigu alla, kuna neil on sama graafiline esitus. Erinev alt isotermist on isobar ja isokoor sirgjooned, misnäitavad otsest proportsionaalsust vastav alt mahu ja temperatuuri ning rõhu ja temperatuuri vahel.
Adiabaatiline protsess
See erineb kirjeldatud isoprotsessidest selle poolest, et see kulgeb keskkonnast täielikus soojusisolatsioonis. Adiabaatilise ülemineku tulemusena gaas paisub või tõmbub kokku ilma soojusvahetuseta keskkonnaga. Sel juhul toimub selle siseenergia vastav muutus, see tähendab:
dU=- PdV
Adiabaatilise kvaasistaatilise protsessi kirjeldamiseks on oluline teada kahte suurust: isobaarne CP ja isohooriline CVsoojusmaht. Väärtus CP näitab, kui palju soojust tuleb süsteemi anda, et see tõstaks isobaarilise paisumise ajal oma temperatuuri 1 K võrra. Väärtus CV tähendab sama, ainult pideva mahuga kuumutamise korral.
Selle protsessi võrrandit ideaalse gaasi jaoks nimetatakse Poissoni võrrandiks. See kirjutatakse parameetritesse P ja V järgmiselt:
PVγ=const
Siin nimetatakse parameetrit γ adiabaatiliseks eksponendiks. See on võrdne CP ja CV suhtega. Üheaatomilise gaasi puhul γ=1,67, kaheaatomilise gaasi puhul - 1,4, kui gaasi moodustavad keerulisemad molekulid, siis γ=1,33.
Kuna adiabaatiline protsess toimub ainult tema enda sisemiste energiaressursside tõttu, käitub adiabaatiline graafik P-V telgedel teravam alt kui isotermi graafik(hüperbool).
