Термодинамика – физиканын тең салмактуулуктагы же ага ыктаган термодинамикалык системаларды изилдеген жана сүрөттөгөн маанилүү тармагы. Термодинамиканын теңдемелеринин жардамы менен кандайдыр бир баштапкы абалдан акыркы абалга өтүүнү сүрөттөө үчүн квазистатикалык процесстин жакындоосун жүргүзүү керек. Бул болжолдоо деген эмне жана бул процесстердин кандай түрлөрү бар, биз бул макалада карап чыгабыз.
Квазистатикалык процесс деген эмнени билдирет?
Сиздерге белгилүү болгондой, термодинамика системанын абалын сүрөттөө үчүн эксперименталдык түрдө өлчөөгө боло турган макроскопиялык мүнөздөмөлөрдүн жыйындысын колдонот. Аларга басым P, көлөм V жана абсолюттук температура T кирет. Эгерде үч чоңдук тең изилденип жаткан система үчүн белгилүү учурда белгилүү болсо, анда алар анын абалы аныкталган деп айтышат.
Квазистатикалык процесс түшүнүгү эки мамлекеттин ортосундагы өтүүнү билдирет. Бул өткөөл мезгилде,Албетте, системанын термодинамикалык мүнөздөмөлөрү өзгөрөт. Эгерде өтүү уланып жаткан убакыттын ар бир моментинде система үчүн T, P жана V белгилүү болсо жана ал өзүнүн тең салмактуу абалынан алыс болбосо, анда квазистатикалык процесс жүрөт деп айтабыз. Башка сөз менен айтканда, бул процесс тең салмактуулук абалынын жыйындысы ортосундагы ырааттуу өтүү болуп саналат. Ал тез арада тең салмактуулукка келүү үчүн системага тышкы таасир анчалык деле чоң эмес деп эсептейт.
Чыныгы процесстер квазистатикалык эмес, андыктан каралып жаткан концепция идеалдаштырылат. Мисалы, газды кеңейтүүдө же кысуудо андагы турбуленттүү өзгөрүүлөр жана толкун процесстери болуп, алардын басаңдашы бир аз убакытты талап кылат. Ошого карабастан, бир катар практикалык учурларда бөлүкчөлөрү жогорку ылдамдыкта кыймылдаган газдар үчүн тең салмактуулук тез орнойт, андыктан алардагы абалдардын ортосундагы ар кандай өтүүлөрдү жогорку тактык менен квазистатикалык деп кароого болот.
Газдардагы процесстердин абалынын жана түрлөрүнүн теңдемеси
Газ – термодинамикада аны изилдөө үчүн заттын ыңгайлуу агрегаттык абалы. Бул анын сүрөттөлүшү үчүн жогоруда аталган үч термодинамикалык чоңдукту тең байланыштырган жөнөкөй теңдеме бар экендигине байланыштуу. Бул теңдеме Клапейрон-Менделеев мыйзамы деп аталат. Бул мындай көрүнөт:
PV=nRT
Бул теңдемени колдонуу менен ар кандай изопроцесстер жана адиабаттык өтүү жанаизобардын, изотерманын, изохоранын жана адиабаттын графиктери түзүлөт. Теңдикте n – системадагы заттын саны, R – бардык газдар үчүн туруктуу. Төмөндө квазистатикалык процесстердин бардык белгиленген түрлөрүн карап чыгабыз.
Изотермикалык өтүү
Ал биринчи жолу 17-кылымдын аягында түрдүү газдарды мисал катары колдонуу менен изилденген. Тиешелүү эксперименттерди Роберт Бойл жана Эдм Мариотт жүргүзүшкөн. Окумуштуулар төмөнкү жыйынтыкка келишти:
PV=const качан T=const
Системадагы басымды жогорулатсаңыз, система туруктуу температураны кармап турса, анда анын көлөмү ушул өсүүгө пропорционалдуу түрдө азаят. Бул мыйзамды абалдын теңдемесинен өзүңүз алуу оңой.
Графиктеги изотерма P жана V огуна жакындаган гипербола.
Изобарикалык жана изохоралык өтүүлөр
Газдардагы изобардык (туруктуу басымда) жана изохоралык (туруктуу көлөмдө) өтүүлөр 19-кылымдын башында изилденген. Аларды изилдөөдө жана тиешелүү мыйзамдарды ачууда француз Жак Шарль менен Гей-Люссактын эмгеги зор. Эки процесс тең математикалык түрдө төмөнкүчө чагылдырылган:
V/T=const качан P=const;
P/T=const качан V=const
Эки туюнтма тең абал теңдемесинен келип чыгат, эгерде биз тиешелүү параметр константасын орнотсок.
Бул өткөөлдөрдү макаланын бир абзацына бириктирдик, анткени алардын графикалык көрүнүшү бирдей. Изотермадан айырмаланып, изобар жана изохор түз сызыктар болуп саналаттиешелүүлүгүнө жараша көлөм менен температура менен басым менен температуранын ортосундагы түз пропорционалдыкты көрсөт.
Адиабаттык процесс
Бул сүрөттөлгөн изопроцесстерден айлана-чөйрөдөн толук жылуулук изоляцияда жүрүшү менен айырмаланат. Адиабаттык өтүүнүн натыйжасында газ айлана-чөйрө менен жылуулук алмашуусуз кеңейет же жыйрыла баштайт. Бул учурда анын ички энергиясында тиешелүү өзгөрүү болот, башкача айтканда:
dU=- PdV
Адиабаттык квазистатикалык процессти сүрөттөө үчүн эки чоңдукту билүү маанилүү: изобардык CP жана изохордук CVжылуулук сыйымдуулугу. CP мааниси системага изобарикалык кеңейүү учурунда анын температурасын 1 К га жогорулатуу үчүн канча жылуулук берилиши керектигин айтат. CV мааниси бир эле нерсени билдирет, бир гана туруктуу көлөмдө жылытуу үчүн.
Идеал газ үчүн бул процесстин теңдемеси Пуассон теңдемеси деп аталат. Ал P жана V параметрлеринде төмөнкүдөй жазылган:
PVγ=const
Бул жерде γ параметри адиабаттык көрсөткүч деп аталат. Бул CP жана CV катышына барабар. Бир атомдуу газ үчүн γ=1,67, эки атомдуу газ үчүн - 1,4, эгерде газ татаалыраак молекулалардан түзүлсө, анда γ=1,33.
Адиабаттык процесс өзүнүн ички энергетикалык ресурстарынын эсебинен гана ишке ашкандыктан, P-V окторундагы адиабаталык график изотерма графигине караганда кескинирээк иштейт(гипербола).
