Fysiikan määritelmien tuntemus on avaintekijä erilaisten fyysisten ongelmien ratkaisemisessa. Artikkelissa pohditaan, mitä tarkoitetaan isobarisilla, isokorisilla, isotermisillä ja adiabaattisilla prosesseilla ihanteelliselle kaasujärjestelmälle.
Ihanteellinen kaasu ja sen yhtälö
Ennen kuin siirrymme isobaristen, isokoristen ja isotermisten prosessien kuvaukseen, pohditaan, mikä on ihanteellinen kaasu. Tämän fysiikan määritelmän mukaan he pitävät järjestelmää, joka koostuu v altavasta määrästä ulottumattomia ja vuorovaikuttamattomia hiukkasia, jotka liikkuvat suurilla nopeuksilla kaikkiin suuntiin. Itse asiassa puhumme kaasumaisesta aineen aggregaattitilasta, jossa atomien ja molekyylien väliset etäisyydet ylittävät huomattavasti niiden kokoa ja jossa hiukkasten potentiaalinen vuorovaikutusenergia jätetään huomioimatta sen pienuuden vuoksi, verrattuna liike-energiaan.
Ideaalikaasun tila on sen termodynaamisten parametrien kokonaisuus. Tärkeimmät ovat lämpötila, tilavuus ja paine. Merkitään ne kirjaimilla T, V ja P, vastaavasti. XIX vuosisadan 30-luvullaClapeyron (ranskalainen tiedemies) kirjoitti ensin yhtälön, joka yhdistää ilmoitetut termodynaamiset parametrit yhdeksi yhtälöksi. Se näyttää tältä:
PV=nRT,
jossa n ja R ovat aineiden määrä ja vastaavasti kaasuvakio.
Mitä ovat isoprosessit kaasuissa?
Kuten monet ovat huomanneet, isobariset, isokooriset ja isotermiset prosessit käyttävät nimissään samaa "iso"-etuliitettä. Se tarkoittaa yhden termodynaamisen parametrin yhtäläisyyttä koko prosessin kulun aikana, kun taas muut parametrit muuttuvat. Esimerkiksi isoterminen prosessi osoittaa, että sen seurauksena järjestelmän absoluuttinen lämpötila pysyy vakiona, kun taas isokorinen prosessi osoittaa vakiotilavuuden.
Isoprosesseja on kätevä tutkia, koska yhden termodynaamisen parametrin kiinnittäminen johtaa kaasun tilan yleisen yhtälön yksinkertaistamiseen. On tärkeää huomata, että kaikkien näiden isoprosessien kaasulait löydettiin kokeellisesti. Heidän analyysinsa antoi Clapeyronille mahdollisuuden saada pelkistetyn universaalin yhtälön.
Isobariset, isokooriset ja isotermiset prosessit
Ensimmäinen laki löydettiin isotermisestä prosessista ihanteellisessa kaasussa. Nyt sitä kutsutaan Boyle-Mariotten laiksi. Koska T ei muutu, tilayhtälö merkitsee yhtälöä:
PV=vakio
Toisin sanoen mikä tahansa paineen muutos järjestelmässä johtaa kääntäen verrannolliseen muutokseen sen tilavuudessa, jos kaasun lämpötila pidetään vakiona. Funktion P(V) kuvaaja onhyperboli.
Isobarinen prosessi - tämä on muutos järjestelmän tilassa, jossa paine pysyy vakiona. Kiinnitettyämme P:n arvon Clapeyron-yhtälöön, saamme seuraavan lain:
V/T=vakio
Tämä tasa-arvo on ranskalaisen fyysikon Jacques Charlesin nimi, joka sai sen 1700-luvun lopussa. Isobar (V(T)-funktion graafinen esitys) näyttää suor alta viiv alta. Mitä enemmän painetta järjestelmässä on, sitä nopeammin tämä linja nousee.
Isobarinen prosessi on helppo toteuttaa, jos kaasua kuumennetaan männän alla. Jälkimmäisen molekyylit lisäävät nopeuttaan (kineettistä energiaa), luovat korkeamman paineen mäntään, mikä johtaa kaasun laajenemiseen ja P:n vakioarvon ylläpitämiseen.
Lopuksi kolmas isoprosessi on isokorinen. Se toimii tasaisella äänenvoimakkuudella. Tilayhtälöstä saadaan vastaava yhtälö:
P/T=vakio
Se tunnetaan fyysikkojen keskuudessa Gay-Lussac-lakina. Suora verrannollisuus paineen ja absoluuttisen lämpötilan välillä osoittaa, että isokorisen prosessin käyrä, kuten isobarisen kaavio, on suora viiva, jolla on positiivinen kulmakerroin.
On tärkeää ymmärtää, että kaikki isoprosessit tapahtuvat suljetuissa järjestelmissä, eli n:n arvo säilyy niiden kulun aikana.
Adiabaattinen prosessi
Tämä prosessi ei kuulu "iso"-luokkaan, koska kaikki kolme termodynaamista parametria muuttuvat sen kulun aikana. adiabaattinenkutsutaan siirtymäksi järjestelmän kahden tilan välillä, jolloin se ei vaihda lämpöä ympäristön kanssa. Siten järjestelmän laajeneminen tapahtuu sen sisäisten energiavarastojen ansiosta, mikä johtaa merkittävään paineen ja absoluuttisen lämpötilan laskuun siinä.
Ideaalikaasun adiabaattinen prosessi kuvataan Poissonin yhtälöillä. Yksi niistä näkyy alla:
PVγ=const,
jossa γ on lämpökapasiteetin suhde vakiopaineessa ja vakiotilavuudessa.
Adiabaattinen graafi eroaa isokorisesta prosessigraafista ja isobarisesta graafista, mutta se on samanlainen kuin hyperbola (isotermi). P-V-akseleiden adiabaatti käyttäytyy terävämmin kuin isotermi.
