Квазистатични процеси: изотермични, изобарни, изохорни и адиабатни

Термодинамика - това е важен клон на физиката, който изучава и описва термодинамични системи в равновесие или в състояние на приближаване към равновесие. За да се използват уравненията на термодинамиката за описване на прехода от някакво начално състояние към крайното, трябва да се апроксимира квазистатичен процес. Какво представлява това приближение и какви са видовете на тези процеси, ще обсъдим в тази статия.

Какво се разбира под квазистатичен процес?

Както е известно, термодинамиката използва набор от макроскопични характеристики, които могат да бъдат измерени експериментално, за да опише състоянието на системата. Това са налягането P, обемът V и абсолютна температура T. Ако и трите величини са известни в даден момент за въпросната система, тогава се казва, че нейното състояние е определено.

Понятието за квазистатичен процес включва преход между две състояния. При този преход, разбира се, се променят термодинамичните характеристики на системата. Ако във всеки момент от времето, през който протича преходът, за системата са известни T, P и V и тя е близо до равновесното си състояние, тогава се казва, че протича квазистатичен процес. С други думи, разглежданият процес е последователен преход между набор от равновесни състояния. Приема се, че външното въздействие върху системата е незначително, така че тя може бързо да достигне равновесие.

Реалните процеси не са квазистатични, така че разглежданата концепция ще бъде идеализирана. Например, когато един газ се разширява или свива, в него протичат турбулентни промени и вълнови процеси, които предполагат известно време за тяхното отслабване. Въпреки това в някои практически случаи за газове, където частиците се движат с големи скорости, равновесието настъпва бързо, поради което различните преходи между състоянията в тях могат да се разглеждат като квазистатични с висока точност.

Уравнение на състоянието и видове процеси в газовете

Газът е удобно агрегатно състояние на материята за изучаване в термодинамиката. Това се дължи на факта, че за описанията му има просто уравнение, което свързва трите термодинамични величини, споменати по-горе. Това уравнение се нарича закон на Клапейрон-Менделеев. Той има следната форма:

P*V = n*R*T

С помощта на това уравнение се изследват всички видове изопроцеси и адиабатни преходи и се чертаят графики на изобарите, изотермите, изохорите и адиабатите. При равенство n е количеството вещество в системата, а R е константа за всички газове. По-долу ще разгледаме всички споменати видове квазистатични процеси.

Изотермичен преход

За първи път е изследван в края на XVII в. на примера на различни газове. Съответните експерименти са проведени от Робърт Бойл и Едмънд Мариот. Учените са стигнали до следния резултат:

P*V = const при T = const

Ако се увеличи налягането в системата, обемът ѝ ще намалее пропорционално на това увеличение, ако температурата в системата се поддържа постоянна. Не е трудно да се получи този закон от самото уравнение на състоянието.

Изотермата на графиката е хипербола, която се доближава до P и V.

Изобарни и изохорни преходи

В началото на XIX в. са изследвани изобарните (при постоянно налягане) и изохорните (при постоянен обем) преходи в газовете. Голяма заслуга за изучаването и откриването на съответните закони имат французите Жак Шарл и Гей-Люсак. Двата процеса се представят математически, както следва

V/T = const при P = const;

P/T = const при V = const

И двата израза произтичат от уравнението на състоянието, ако превърнем съответния параметър в константа.

Обединихме тези преходи в един параграф на статията, тъй като те имат едно и също графично представяне. За разлика от изотермата, изобарата и изохората са прави линии, които показват пряка зависимост между обема и температурата и съответно налягането и температурата.

Адиабатен процес

Той се различава от описаните изопроцеси по това, че се извършва в пълна термична изолация от околна среда. Адиабатичният преход кара газа да се разширява или свива, без да обменя топлина със заобикалящата го среда. Настъпва съответна промяна във вътрешната му енергия, т.е:

dU = - P*dV

За да се опише адиабатен квазистатичен процес, е важно да се знаят две величини: изобарната стойност C_P и изохорен C_V топлинен капацитет. Магнитуд C_P показва колко топлина трябва да се предаде на системата, за да се повиши температурата ѝ с 1 K при изобарно разширение. C_V означава същото, само че за нагряване при постоянен обем.

Уравнението за този процес за идеален на газ се нарича уравнение на Поасон. Той се записва в параметрите P и V, както следва:

P*V^γ = const

Тук параметърът γ се нарича адиабатен коефициент. Тя е равна на съотношението на C_P и C_V. За за едноатомен газ γ=1,67, за двуатомния - 1,4, ако газът е образуван от по-сложни молекули, тогава γ=1,33.

Тъй като адиабатичният процес протича изключително за сметка на собствените вътрешни енергийни ресурси, адиабатната графика по осите P-V се държи по-рязко от графиката на изотермата (хипербола).