Termodynamiikka on tärkeä fysiikan haara, joka tutkii ja kuvaa termodynaamisia järjestelmiä tasapainossa tai siihen pyrkiessä. Jotta siirtymistä jostakin alkutilasta lopputilaan voidaan kuvata termodynamiikan yhtälöiden avulla, on tarpeen tehdä kvasistaattisen prosessin approksimaatio. Mikä tämä likiarvo on ja minkä tyyppisiä nämä prosessit ovat, tarkastelemme tässä artikkelissa.
Mitä kvasistaattinen prosessi tarkoittaa?
Kuten tiedätte, termodynamiikka järjestelmän tilan kuvaamiseen käyttää joukkoa makroskooppisia ominaisuuksia, jotka voidaan mitata kokeellisesti. Näitä ovat paine P, tilavuus V ja absoluuttinen lämpötila T. Jos kaikki kolme suuretta tiedetään tutkittavalle järjestelmälle tietyllä hetkellä, niin ne sanovat, että sen tila on määritetty.
Kvasistaattisen prosessin käsite merkitsee siirtymistä kahden tilan välillä. Tämän siirtymän aikanaLuonnollisesti järjestelmän termodynaamiset ominaisuudet muuttuvat. Jos jokaisella ajanhetkellä, jolloin siirtymä jatkuu, systeemille tunnetaan T, P ja V, eikä se ole kaukana sen tasapainotilasta, niin sanotaan, että tapahtuu kvasistaattinen prosessi. Toisin sanoen tämä prosessi on peräkkäinen siirtymä tasapainotilojen joukon välillä. Hän olettaa, että ulkoinen vaikutus järjestelmään on merkityksetön, jotta se ehtii nopeasti saavuttaa tasapainon.
Todelliset prosessit eivät ole kvasistaattisia, joten harkittava käsite idealisoituu. Esimerkiksi kaasua laajennettaessa tai puristettaessa siinä tapahtuu turbulentteja muutoksia ja a altoprosesseja, jotka vaativat jonkin aikaa vaimentumiseensa. Kuitenkin useissa käytännön tapauksissa kaasuille, joissa hiukkaset liikkuvat suurilla nopeuksilla, tasapaino asettuu nopeasti, joten erilaisia siirtymiä niissä olevien tilojen välillä voidaan pitää kvasistaattisina erittäin tarkasti.
Kaasujen tilayhtälö ja prosessityypit
Kaasu on kätevä aineen aggregaattitila termodynamiikan tutkimukseen. Tämä johtuu siitä, että sen kuvaukseen on olemassa yksinkertainen yhtälö, joka yhdistää kaikki kolme yllä olevaa termodynaamista suuretta. Tätä yhtälöä kutsutaan Clapeyron-Mendeleevin laiksi. Se näyttää tältä:
PV=nRT
Tätä yhtälöä käyttämällä kaikenlaiset isoprosessit ja adiabaattiset siirtymät jaisobarista, isotermistä, isokorista ja adiabaatista muodostetaan kuvaajia. Yhtäältä n on aineen määrä järjestelmässä, R on vakio kaikille kaasuille. Alla tarkastellaan kaikkia havaittuja kvasistaattisten prosessien tyyppejä.
Isoterminen siirtymä
Se tutkittiin ensimmäisen kerran 1600-luvun lopulla käyttämällä esimerkkinä erilaisia kaasuja. Vastaavat kokeet suorittivat Robert Boyle ja Edm Mariotte. Tiedemiehet päätyivät seuraavaan tulokseen:
PV=const kun T=const
Jos lisäät järjestelmän painetta, sen tilavuus pienenee suhteessa tähän nousuun, jos järjestelmä ylläpitää vakiolämpötilaa. Tämä laki on helppo johtaa tilayhtälöstä itse.
Isotermi kaaviossa on hyperboli, joka lähestyy P- ja V-akseleita.
Isobaariset ja isokoriset siirtymät
Isobarisia (vakiopaineessa) ja isokorisia (vakiotilavuudessa) siirtymiä kaasuissa tutkittiin 1800-luvun alussa. Suuri ansio asiaan liittyvien lakien tutkimisessa ja löytämisessä kuuluu ranskalaisille Jacques Charlesille ja Gay-Lussacille. Molemmat prosessit esitetään matemaattisesti seuraavasti:
V/T=const kun P=const;
P/T=const kun V=const
Molemmat lausekkeet johtuvat tilayhtälöstä, jos asetamme vastaavan parametrin vakion.
Olemme yhdistäneet nämä siirtymät artikkelin yhteen kappaleeseen, koska niillä on sama graafinen esitys. Toisin kuin isotermi, isobar ja isochore ovat suoria viivoja, jotkaosoittavat suoran suhteellisuuden tilavuuden ja lämpötilan sekä paineen ja lämpötilan välillä.
Adiabaattinen prosessi
Se eroaa kuvatuista isoprosesseista siinä, että se etenee täysin lämpöeristettynä ympäristöstä. Adiabaattisen siirtymän seurauksena kaasu laajenee tai supistuu ilman lämmönvaihtoa ympäristön kanssa. Tässä tapauksessa tapahtuu vastaava muutos sen sisäisessä energiassa, eli:
dU=- PdV
Adiabaattisen kvasistaattisen prosessin kuvaamiseksi on tärkeää tietää kaksi suuretta: isobarinen CP ja isokorinen CVlämpökapasiteetti. Arvo CP kertoo, kuinka paljon lämpöä järjestelmään on siirrettävä, jotta se nostaisi lämpötilaansa 1 K:lla isobaarisen laajenemisen aikana. Arvo CV tarkoittaa samaa, vain vakiotilavuuslämmityksessä.
Tämän ihanteellisen kaasun prosessin yhtälöä kutsutaan Poissonin yhtälöksi. Se kirjoitetaan parametreihin P ja V seuraavasti:
PVγ=const
Tässä parametria γ kutsutaan adiabaattiseksi eksponenttiksi. Se on yhtä suuri kuin CP ja CV suhde. Yksiatomiselle kaasulle γ=1,67, kaksiatomiselle kaasulle - 1,4, jos kaasu muodostuu monimutkaisemmista molekyyleistä, niin γ=1,33.
Koska adiabaattinen prosessi tapahtuu yksinomaan sen omista sisäisistä energiaresursseistaan, adiabaattinen kuvaaja P-V-akseleilla käyttäytyy terävämmin kuin isotermikäyrä(hyperboli).
