Изобарни, изохорни, изотермични и адиабатни процеси за идеален газ

Познаването на определенията във физиката е ключово за успешното решаване на различни физични проблеми. В тази статия ще разгледаме какво означават процесите изобарност, изохорност, изотермичност и адиабатика за идеална газова система.

Идеален газ и неговото уравнение

Преди да преминем към описанието на изобарните, изохорните и изотермичните процеси, нека разгледаме какво представлява идеалният газ. Това определение във физиката се отнася за система, състояща се от огромен брой безразмерни и невзаимодействащи частици, които се движат с висока скорост във всички посоки. По същество това е газово агрегатно състояние на материята, при което разстоянието между атомите и молекулите е много по-голямо от техния размер и при което потенциалната енергия на взаимодействието на частиците се пренебрегва поради нейната незначителност в сравнение с кинетичната енергия.

Състоянието на идеалния газ е съвкупност от термодинамичните му параметри. Основните от тях са температура, обем и налягане. Нека ги обозначим съответно с буквите T, V и P. През 30-те години на XIX в. Клапейрон (френски учен) за първи път записва уравнението, което обединява тези термодинамични параметри в едно равенство. Той има формата:

P*V = n*R*T,

където n и R са съответно количеството на веществата и газовата константа.

Какво представляват изопроцесите в газовете??

Както мнозина са забелязали, при изобарните, изохорните и изотермичните процеси се използва един и същ префикс "ISO". Това означава еднаквост на един термодинамичен параметър по време на целия процес, като другите параметри се променят. Например, изотермичният процес ни казва, че в резултат на абсолютна температура на системата се поддържа постоянна и изохорният процес показва постоянен обем.

Изопроцесите са удобни за изследване, тъй като фиксирането на един от термодинамичните параметри води до опростяване на общото уравнение на състоянието на газа. Важно е да се отбележи, че газовите закони за всички споменати изотермични процеси са открити експериментално. Техният анализ позволява на Клапейрон да получи универсалното уравнение.

Изобарични, изохорни и изотермични процеси

Първият открит закон за изотермичния процес в идеален газ. Сега той се нарича закон на Бойл-Мариот. Тъй като T не се променя, равенството следва от уравнението на състоянието:

P*V = const.

С други думи, всяка промяна на налягането в дадена система води до обратна промяна на обема ѝ, ако температурата на газа се поддържа постоянна. Графиката на функцията P(V) е хипербола.

Изобаричният процес е промяна на състоянието на дадена система, където Налягането остава постоянно. Като фиксираме стойността на P в уравнението на Клапейрон, получаваме следния закон:

V/T = const.

Това уравнение е кръстено на френския физик Жак Шарл, който го получава в края на XVIII век. Изобарът (графично представяне на функцията V(T)) изглежда като права линия. Колкото по-високо е налягането в системата, толкова по-бързо се увеличава тази линия.

Изобаричният процес се извършва лесно чрез нагряване на газа под буталото. Молекулите на последния увеличават скоростта си (кинетичната енергия) и създават по-високо налягане върху буталото, което води до разширяването на газа и поддържане на постоянна стойност на P.

И накрая, третият изохорен процес. То се извършва при постоянен обем. От уравнението на състоянието получаваме съответното уравнение:

P/T = const.

Той е известен сред физиците като закон на Хей-Люсак. Пряката зависимост между налягането и абсолютната температура показва, че графиката на изохорния процес, както и графиката на изобарния процес, е права линия с положителен коефициент на наклона.

Важно е да се признае, че всички изохорни процеси протичат в затворени системи, т.е. в хода на процеса стойността на n се запазва.

Адиабатен процес

Този процес не се класифицира като адиабатен процес "ISO", защото по време на преминаването му се променят и трите термодинамични параметъра. Адиабатен е преходът между две състояния на една система, когато тя не обменя топлина с запазени от заобикалящата среда. По този начин системата се разширява за сметка на вътрешните си енергийни запаси, което води до значителен спад на налягането и абсолютната температура в системата.

Адиабатичният процес за идеален газ се описва с уравненията на Поасон. Една от тях е представена по-долу:

P*V^γ = const,

където γ - е отношението на топлинния капацитет при постоянно налягане и постоянен обем.

Адиабатната крива се различава от изохорната и от изобарната крива, но е подобна на хиперболата (изотерма). Адиабатът в осите P-V се държи по-рязко от изотермата.