Թերմոդինամիկան ֆիզիկայի կարևոր ճյուղ է, որն ուսումնասիրում և նկարագրում է հավասարակշռության մեջ գտնվող կամ դրան հակված թերմոդինամիկ համակարգերը: Որպեսզի թերմոդինամիկայի հավասարումներով կարողանանք նկարագրել անցումը որոշ սկզբնական վիճակից վերջնական վիճակի, անհրաժեշտ է մոտավորել քվազաստատիկ գործընթացին։ Ինչպիսի՞ն է այս մոտավորությունը և ինչպիսի՞ն են այդ գործընթացների տեսակները, մենք կքննարկենք այս հոդվածում:
Ի՞նչ է նշանակում քվազի-ստատիկ գործընթաց:
Ինչպես գիտեք, համակարգի վիճակը նկարագրելու համար թերմոդինամիկան օգտագործում է մակրոսկոպիկ բնութագրերի մի շարք, որոնք կարող են չափվել փորձարարական եղանակով: Դրանք ներառում են ճնշում P, ծավալ V և բացարձակ ջերմաստիճան T: Եթե տվյալ պահին ուսումնասիրվող համակարգի համար բոլոր երեք մեծությունները հայտնի են, ապա նրանք ասում են, որ դրա վիճակը որոշված է:
Քվազի-ստատիկ գործընթացի հայեցակարգը ենթադրում է անցում երկու վիճակների միջև: Այս անցման ընթացքում,Բնականաբար, փոխվում են համակարգի թերմոդինամիկական բնութագրերը։ Եթե ժամանակի յուրաքանչյուր պահին, որի ընթացքում անցումը շարունակվում է, T, P և V-ը հայտնի են համակարգի համար, և այն հեռու չէ իր հավասարակշռության վիճակից, ապա մենք ասում ենք, որ տեղի է ունենում քվազի-ստատիկ գործընթաց: Այլ կերպ ասած, այս գործընթացը հաջորդական անցում է հավասարակշռության վիճակների մի շարքի միջև: Նա ենթադրում է, որ արտաքին ազդեցությունը համակարգի վրա աննշան է, որպեսզի այն ժամանակ ունենա արագ հասնելու հավասարակշռության։
Իրական գործընթացները քվազաստատիկ չեն, ուստի դիտարկվող հայեցակարգը իդեալականացվելու է: Օրինակ՝ գազը ընդլայնելիս կամ սեղմելիս նրա մեջ տեղի են ունենում տուրբուլենտ փոփոխություններ և ալիքային պրոցեսներ, որոնք որոշակի ժամանակ են պահանջում դրանց թուլացման համար։ Այնուամենայնիվ, մի շարք գործնական դեպքերում, գազերի համար, որոնցում մասնիկները շարժվում են մեծ արագությամբ, հավասարակշռությունը արագ է սահմանվում, ուստի դրանցում վիճակների միջև տարբեր անցումներ կարելի է համարել քվազաստատիկ բարձր ճշգրտությամբ:
:
Գազերում պրոցեսների վիճակի և տեսակների հավասարումը
Գազը նյութի հարմար ագրեգատային վիճակ է թերմոդինամիկայի մեջ իր ուսումնասիրության համար: Դա պայմանավորված է նրանով, որ դրա նկարագրության համար կա մի պարզ հավասարում, որը վերաբերում է վերը նշված բոլոր երեք թերմոդինամիկական մեծություններին: Այս հավասարումը կոչվում է Կլապեյրոն-Մենդելեևի օրենք։ Կարծես հետևյալն է՝
PV=nRT
Օգտագործելով այս հավասարումը, բոլոր տեսակի իզոպրոցեսները և ադիաբատիկ անցումը ևԿառուցվում են իզոբարի, իզոթերմի, իզոխորի և ադիաբատի գրաֆիկները: Հավասարության դեպքում n-ը համակարգում նյութի քանակն է, R-ն հաստատուն է բոլոր գազերի համար: Ստորև մենք դիտարկում ենք քվազի-ստատիկ գործընթացների բոլոր նշված տեսակները:
Իզթերմային անցում
Այն առաջին անգամ ուսումնասիրվել է 17-րդ դարի վերջին՝ որպես օրինակ օգտագործելով տարբեր գազեր։ Համապատասխան փորձերը կատարել են Ռոբերտ Բոյլը և Էդմ Մարիոտը։ Գիտնականները եկել են հետևյալ արդյունքին.
PV=const երբ T=const
Եթե դուք բարձրացնեք ճնշումը համակարգում, ապա դրա ծավալը կնվազի այս աճին համամասնորեն, եթե համակարգը պահպանում է մշտական ջերմաստիճան: Ինքներդ վիճակի հավասարումից այս օրենքը բխեցնելը հեշտ է:
Գրաֆիկի վրա իզոթերմը հիպերբոլա է, որը մոտենում է P և V առանցքներին:
Իզոբարային և իզոխորիկ անցումներ
Գազերում իզոբարային (հաստատուն ճնշման դեպքում) և իզոխորիկ (հաստատուն ծավալով) անցումները ուսումնասիրվել են 19-րդ դարի սկզբին։ Նրանց ուսումնասիրության և համապատասխան օրենքների բացահայտման գործում մեծ վաստակը պատկանում է ֆրանսիացի Ժակ Շառլին և Գեյ-Լյուսակին։ Երկու գործընթացներն էլ մաթեմատիկորեն ներկայացված են հետևյալ կերպ.
V/T=const երբ P=const;
P/T=const երբ V=const
Երկու արտահայտություններն էլ բխում են վիճակի հավասարումից, եթե սահմանենք համապատասխան պարամետրի հաստատուն:
Մենք միավորել ենք այս անցումները հոդվածի մեկ պարբերության տակ, քանի որ դրանք ունեն նույն գրաֆիկական ներկայացումը: Ի տարբերություն իզոթերմի, իզոբարը և իզոխորը ուղիղ գծեր են, որոնքցույց տալ ուղիղ համեմատականությունը համապատասխանաբար ծավալի և ջերմաստիճանի և ճնշման և ջերմաստիճանի միջև։
Ադիաբատիկ գործընթաց
Այն տարբերվում է նկարագրված իզոպրոցեսներից նրանով, որ այն ընթանում է շրջակա միջավայրից լիակատար ջերմային մեկուսացման մեջ: Ադիաբատիկ անցման արդյունքում գազը ընդլայնվում կամ կծկվում է առանց շրջակա միջավայրի հետ ջերմափոխանակության: Այս դեպքում տեղի է ունենում նրա ներքին էներգիայի համապատասխան փոփոխություն, այսինքն՝
dU=- PdV
Ադիաբատիկ քվազաստատիկ պրոցեսը նկարագրելու համար կարևոր է իմանալ երկու մեծություն՝ իզոբար CP և իզոխորիկ CVջերմային հզորություն: CP արժեքը ցույց է տալիս, թե որքան ջերմություն պետք է փոխանցվի համակարգին, որպեսզի այն բարձրացնի ջերմաստիճանը 1 Կ-ով իզոբարային ընդարձակման ժամանակ: CV արժեքը նշանակում է նույնը, միայն մշտական ծավալի տաքացման համար:
Իդեալական գազի այս գործընթացի հավասարումը կոչվում է Պուասոնի հավասարում: P և V պարամետրերում գրված է հետևյալ կերպ՝
PVγ=Const
Այստեղ γ պարամետրը կոչվում է ադիաբատիկ ցուցիչ: Այն հավասար է CP և CV հարաբերակցությանը: Միատոմ գազի համար γ=1,67, երկատոմային գազի համար՝ 1,4, եթե գազն առաջանում է ավելի բարդ մոլեկուլներով, ապա γ=1,33։
Քանի որ ադիաբատիկ գործընթացը տեղի է ունենում բացառապես սեփական ներքին էներգիայի ռեսուրսների շնորհիվ, P-V առանցքներում ադիաբատիկ գրաֆիկն ավելի կտրուկ է վարվում, քան իզոթերմ գրաֆիկը(հիպերբոլիա).
