Termodinamika je važna grana fizike koja proučava i opisuje termodinamičke sisteme u ravnoteži ili teži ka njoj. Da bi se mogao opisati prijelaz iz nekog početnog stanja u konačno stanje pomoću jednačina termodinamike, potrebno je napraviti aproksimaciju kvazistatičkog procesa. Kakva je to aproksimacija i koje su vrste ovih procesa, razmotrit ćemo u ovom članku.
Šta se podrazumijeva pod kvazistatičkim procesom?
Kao što znate, termodinamika za opisivanje stanja sistema koristi skup makroskopskih karakteristika koje se mogu eksperimentalno izmjeriti. To uključuje pritisak P, zapreminu V i apsolutnu temperaturu T. Ako su sve tri veličine poznate za sistem koji se proučava u datom trenutku, onda kažu da je njegovo stanje određeno.
Koncept kvazi-statičkog procesa podrazumijeva prijelaz između dva stanja. Tokom ove tranzicije,Naravno, termodinamičke karakteristike sistema se menjaju. Ako su u svakom trenutku vremena tokom kojeg se tranzicija nastavlja, za sistem poznati T, P i V, a on nije daleko od njegovog ravnotežnog stanja, onda kažemo da dolazi do kvazistatičkog procesa. Drugim riječima, ovaj proces je sekvencijalni prijelaz između skupa ravnotežnih stanja. On pretpostavlja da je spoljni uticaj na sistem neznatan tako da ima vremena da brzo dođe u ravnotežu.
Pravi procesi nisu kvazi-statični, tako da će koncept koji se razmatra biti idealiziran. Na primjer, pri ekspanziji ili kompresiji plina u njemu dolazi do turbulentnih promjena i valnih procesa koji zahtijevaju određeno vrijeme za njihovo slabljenje. Ipak, u brojnim praktičnim slučajevima, za gasove u kojima se čestice kreću velikom brzinom, ravnoteža se brzo uspostavlja, tako da se različiti prelazi između stanja u njima mogu smatrati kvazistatičkim sa velikom preciznošću.
Jednačina stanja i vrste procesa u gasovima
Gas je pogodno agregatno stanje materije za njegovo proučavanje u termodinamici. To je zbog činjenice da za njegov opis postoji jednostavna jednadžba koja povezuje sve tri gore navedene termodinamičke veličine. Ova jednačina se zove Clapeyron-Mendelejev zakon. To izgleda ovako:
PV=nRT
Upotrebom ove jednadžbe, sve vrste izoprocesa i adijabatskih prijelaza ikonstruirani su grafovi izobare, izoterme, izohore i adijabate. U jednakosti, n je količina supstance u sistemu, R je konstanta za sve gasove. U nastavku razmatramo sve navedene vrste kvazistatičkih procesa.
Izotermički prijelaz
Prvi put je proučavan krajem 17. veka koristeći razne gasove kao primer. Odgovarajuće eksperimente izveli su Robert Boyle i Edm Mariotte. Naučnici su došli do sljedećeg rezultata:
PV=const kada je T=const
Ako povećate pritisak u sistemu, tada će se njegov volumen smanjiti proporcionalno ovom povećanju, ako sistem održava konstantnu temperaturu. Lako je sami izvesti ovaj zakon iz jednačine stanja.
Izoterma na grafu je hiperbola koja se približava P i V osi.
Izobarični i izohorični prijelazi
Izobarični (pri konstantnom pritisku) i izohorni (pri konstantnoj zapremini) prelazi u gasovima proučavani su početkom 19. veka. Velika zasluga u njihovom proučavanju i otkrivanju relevantnih zakona pripada Francuzima Jacquesu Charlesu i Gay-Lussac-u. Oba procesa su matematički predstavljena na sljedeći način:
V/T=const kada je P=const;
P/T=const kada je V=const
Oba izraza slijede iz jednačine stanja ako postavimo odgovarajuću konstantu parametra.
Kombinovali smo ove prelaze pod jednim paragrafom članka jer imaju isti grafički prikaz. Za razliku od izoterme, izobara i izohora su prave linije kojepokazuju direktnu proporcionalnost između zapremine i temperature i pritiska i temperature respektivno.
Adijabatski proces
Razlikuje se od opisanih izoprocesa po tome što se odvija u potpunoj termičkoj izolaciji od okoline. Kao rezultat adijabatskog prijelaza, plin se širi ili skuplja bez izmjene topline sa okolinom. U ovom slučaju dolazi do odgovarajuće promjene njegove unutrašnje energije, odnosno:
dU=- PdV
Da bismo opisali adijabatski kvazi-statički proces, važno je poznavati dvije veličine: izobarični CP i izohorni CV toplinski kapacitet. Vrijednost CP govori koliko toplote mora biti preneseno sistemu da bi povećao svoju temperaturu za 1 K tokom izobarične ekspanzije. Vrijednost CV znači isto, samo za grijanje konstantne zapremine.
Jednačina za ovaj proces za idealni gas naziva se Poissonova jednačina. Zapisuje se u parametrima P i V na sljedeći način:
PVγ=const
Ovdje se parametar γ naziva adijabatski eksponent. On je jednak omjeru CP i CV. Za jednoatomni gas γ=1,67, za dvoatomski gas - 1,4, ako je gas formiran od složenijih molekula, tada je γ=1,33.
Budući da se adijabatski proces odvija isključivo zbog vlastitih unutrašnjih energetskih resursa, adijabatski graf na P-V osi ponaša se oštrije od grafa izoterme(hiperbola).
