Termodynamika je dôležitým odvetvím fyziky, ktoré študuje a popisuje termodynamické systémy v rovnováhe alebo k nej. Aby bolo možné opísať prechod z nejakého počiatočného stavu do konečného stavu pomocou rovníc termodynamiky, je potrebné urobiť aproximáciu kvázistatického procesu. Čo je táto aproximácia a aké typy týchto procesov sú, zvážime v tomto článku.
Čo znamená kvázistatický proces?
Ako viete, termodynamika na opis stavu systému využíva súbor makroskopických charakteristík, ktoré možno experimentálne merať. Patria sem tlak P, objem V a absolútna teplota T. Ak sú pre skúmaný systém v danom momente známe všetky tri veličiny, potom hovoria, že jeho stav bol určený.
Koncept kvázistatického procesu zahŕňa prechod medzi dvoma stavmi. Počas tohto prechoduPrirodzene sa menia termodynamické charakteristiky systému. Ak v každom okamihu, počas ktorého prechod pokračuje, sú pre systém známe T, P a V a nie je ďaleko od svojho rovnovážneho stavu, potom hovoríme, že nastáva kvázistatický proces. Inými slovami, tento proces je sekvenčný prechod medzi súborom rovnovážnych stavov. Predpokladá, že vonkajší vplyv na systém je bezvýznamný, takže má čas rýchlo sa dostať do rovnováhy.
Reálne procesy nie sú kvázistatické, takže uvažovaný koncept bude idealizovaný. Napríklad pri expanzii alebo stláčaní plynu v ňom dochádza k turbulentným zmenám a vlnovým procesom, ktoré si vyžadujú určitý čas na ich útlm. Napriek tomu v mnohých praktických prípadoch pre plyny, v ktorých sa častice pohybujú vysokou rýchlosťou, rovnováha nastáva rýchlo, takže rôzne prechody medzi stavmi v nich možno považovať za kvázistatické s vysokou presnosťou.
Rovnica stavu a typov procesov v plynoch
Plyn je vhodný agregovaný stav hmoty na štúdium termodynamiky. Je to spôsobené tým, že na jeho popis existuje jednoduchá rovnica, ktorá dáva do súvislosti všetky tri vyššie uvedené termodynamické veličiny. Táto rovnica sa nazýva Clapeyronov-Mendelejevov zákon. Vyzerá to takto:
PV=nRT
Pomocou tejto rovnice sú všetky druhy izoprocesov a adiabatických prechodov asú zostrojené grafy izobary, izotermy, izochóry a adiabaty. V rovnosti je n látkové množstvo v systéme, R je konštanta pre všetky plyny. Nižšie uvažujeme o všetkých uvedených typoch kvázistatických procesov.
Izotermický prechod
Prvýkrát bol študovaný na konci 17. storočia na príklade rôznych plynov. Zodpovedajúce experimenty vykonali Robert Boyle a Edm Mariotte. Vedci prišli s nasledujúcim výsledkom:
PV=const, keď T=const
Ak zvýšite tlak v systéme, jeho objem sa zníži úmerne tomuto zvýšeniu, ak systém udržiava konštantnú teplotu. Je ľahké odvodiť tento zákon zo stavovej rovnice sami.
Izoterma na grafe je hyperbola, ktorá sa približuje k osám P a V.
Izobarické a izochorické prechody
Izobarické (pri konštantnom tlaku) a izochorické (pri konštantnom objeme) prechody v plynoch boli študované na začiatku 19. storočia. Veľké zásluhy na ich štúdiu a objavení príslušných zákonov majú Francúzi Jacques Charles a Gay-Lussac. Oba procesy sú matematicky znázornené takto:
V/T=const, keď P=const;
P/T=const, keď V=const
Oba výrazy vyplývajú zo stavovej rovnice, ak nastavíme zodpovedajúcu konštantu parametra.
Tieto prechody sme spojili pod jeden odsek článku, pretože majú rovnaké grafické znázornenie. Na rozdiel od izotermy sú izobara a izochóra priamky, ktoréukazujú priamu úmernosť medzi objemom a teplotou a tlakom a teplotou.
Adiabatický proces
Od opísaných izoprocesov sa líši tým, že prebieha v úplnej tepelnej izolácii od okolia. V dôsledku adiabatického prechodu sa plyn rozširuje alebo zmršťuje bez výmeny tepla s okolím. V tomto prípade nastane zodpovedajúca zmena jeho vnútornej energie, to znamená:
dU=- PdV
Na opísanie adiabatického kvázistatického procesu je dôležité poznať dve veličiny: izobarickú CP a izochorickú CVtepelnú kapacitu. Hodnota CP hovorí, koľko tepla musí byť odovzdané systému, aby zvýšil svoju teplotu o 1 K počas izobarickej expanzie. Hodnota CV znamená to isté, len pre ohrev konštantného objemu.
Rovnica pre tento proces pre ideálny plyn sa nazýva Poissonova rovnica. V parametroch P a V sa zapisuje takto:
PVγ=const
Parameter γ sa tu nazýva adiabatický exponent. Rovná sa pomeru CP a CV. Pre jednoatómový plyn γ=1,67, pre dvojatómový plyn - 1,4, ak je plyn tvorený zložitejšími molekulami, potom γ=1,33.
Keďže k adiabatickému procesu dochádza výlučne vďaka jeho vlastným vnútorným zdrojom energie, adiabatický graf v osiach P-V sa správa ostrejšie ako graf izotermy(hyperbola).
