Термодинамика – тепе-теңдіктегі немесе оған бейім термодинамикалық жүйелерді зерттейтін және сипаттайтын физиканың маңызды бөлімі. Термодинамика теңдеулерін пайдалана отырып, кейбір бастапқы күйден соңғы күйге өтуді сипаттай алу үшін квазистатикалық процестің жуықтауын жасау керек. Бұл жуықтау дегеніміз не және бұл процестердің қандай түрлері бар, біз осы мақалада қарастырамыз.
Квазистатикалық процесс деген нені білдіреді?
Өздеріңіз білетіндей, термодинамика жүйенің күйін сипаттау үшін эксперименттік түрде өлшенетін макроскопиялық сипаттамалар жиынтығын пайдаланады. Оларға қысым P, көлем V және абсолютті температура T кіреді. Егер белгілі бір сәтте зерттелетін жүйе үшін барлық үш шама белгілі болса, олар оның күйі анықталғанын айтады.
Квазистатикалық процесс ұғымы екі күй арасындағы ауысуды білдіреді. Бұл ауысу кезінде,Әрине, жүйенің термодинамикалық сипаттамалары өзгереді. Егер ауысу жалғасатын уақыттың әрбір сәтінде жүйе үшін T, P және V белгілі болса және ол оның тепе-теңдік күйінен алыс болмаса, онда квазистатикалық процесс жүреді дейміз. Басқаша айтқанда, бұл процесс тепе-теңдік күйлерінің жиынтығы арасындағы дәйекті ауысу болып табылады. Ол тез тепе-теңдікке жету үшін жүйеге сыртқы әсер шамалы деп есептейді.
Нақты процестер квазистатикалық емес, сондықтан қарастырылып отырған тұжырымдама идеалдандырылады. Мысалы, газды кеңейту немесе сығу кезінде оның әлсіреуіне біраз уақыт қажет болатын турбулентті өзгерістер мен толқындық процестер жүреді. Соған қарамастан, бірқатар практикалық жағдайларда бөлшектері жоғары жылдамдықпен қозғалатын газдар үшін тепе-теңдік тез орнайды, сондықтан олардағы күйлер арасындағы әртүрлі ауысуларды жоғары дәлдікпен квазистатикалық деп санауға болады.
Газдардағы процестердің күйі мен түрлерінің теңдеуі
Газ – термодинамикада оны зерттеу үшін заттың ыңғайлы агрегаттық күйі. Бұл оның сипаттамасы үшін жоғарыда аталған термодинамикалық шамалардың үшеуін де байланыстыратын қарапайым теңдеу болуымен түсіндіріледі. Бұл теңдеу Клапейрон-Менделеев заңы деп аталады. Мынадай көрінеді:
PV=nRT
Осы теңдеуді пайдалана отырып, изопроцестер мен адиабаталық ауысудың барлық түрлері менизобардың, изотерманың, изохораның және адиабаттың графиктері тұрғызылған. Теңдікте n – жүйедегі зат мөлшері, R – барлық газдар үшін тұрақты шама. Төменде квазистатикалық процестердің барлық көрсетілген түрлерін қарастырамыз.
Изотермиялық ауысу
Алғаш рет 17 ғасырдың аяғында әртүрлі газдарды мысалға ала отырып зерттелді. Сәйкес эксперименттерді Роберт Бойл және Эдм Мариотт жүргізді. Ғалымдар келесі нәтижеге келді:
PV=const кезінде T=const
Жүйедегі қысымды арттырсаңыз, жүйе тұрақты температураны сақтаса, оның көлемі осы өсуге пропорционалды түрде азаяды. Бұл заңды күй теңдеуінен өзіңіз шығару оңай.
Графиктегі изотерма P және V осіне жақындайтын гипербола.
Изобарлық және изохоралық ауысулар
Газдардағы изобарлық (тұрақты қысымда) және изохоралық (тұрақты көлемде) ауысулар 19 ғасырдың басында зерттелді. Оларды зерттеуде және сәйкес заңдарды ашуда француз Жак Шарль мен Гей-Люссактың еңбегі зор. Екі процесс математикалық түрде келесідей берілген:
V/T=const кезінде P=const;
P/T=const кезінде V=const
Сәйкес параметр тұрақтысын орнатсақ, екі өрнек те күй теңдеуінен шығады.
Бұл ауысуларды мақаланың бір абзацына біріктірдік, себебі олардың графикалық көрінісі бірдей. Изотермадан айырмашылығы изобар мен изохора түзу сызықтар болып табыладытиісінше көлем мен температура және қысым мен температура арасындағы тура пропорционалды көрсетіңіз.
Адиабаталық процесс
Оның сипатталған изопроцестерден айырмашылығы, ол қоршаған ортадан толық жылу оқшаулауда жүреді. Адиабаталық ауысу нәтижесінде газ қоршаған ортамен жылу алмасусыз кеңейеді немесе жиырылады. Бұл жағдайда оның ішкі энергиясының сәйкес өзгерісі орын алады, яғни:
dU=- PdV
Адиабатты квазистатикалық процесті сипаттау үшін екі шаманы білу маңызды: изобарлық CP және изохоралық CVжылу сыйымдылығы. CP мәні изобарлық кеңею кезінде оның температурасын 1 К жоғарылату үшін жүйеге қанша жылу беру керектігін айтады. CV мәні бірдей, тек тұрақты көлемді жылытуға арналған.
Идеал газ үшін бұл процестің теңдеуі Пуассон теңдеуі деп аталады. Ол P және V параметрлерінде былай жазылады:
PVγ=const
Мұнда γ параметрі адиабаталық көрсеткіш деп аталады. Ол CP және CV қатынасына тең. Бір атомды газ үшін γ=1,67, екі атомды газ үшін - 1,4, егер газ күрделірек молекулалардан түзілсе, онда γ=1,33.
Адиабаталық процесс тек өзінің ішкі энергетикалық ресурстары есебінен жүретіндіктен, P-V осьтеріндегі адиабаталық график изотерма графигіне қарағанда күрт әрекет етеді.(гипербола).
