Termodinamika je važna grana fizike koja proučava i opisuje termodinamičke sustave u ravnoteži ili sklone tome. Da bi se prijelaz iz nekog početnog stanja u konačno stanje moglo opisati pomoću termodinamičkih jednadžbi, potrebno je napraviti aproksimaciju kvazistatičkog procesa. Kakva je to aproksimacija i koje su vrste ovih procesa, razmotrit ćemo u ovom članku.
Što se podrazumijeva pod kvazistatičkim procesom?
Kao što znate, termodinamika za opisivanje stanja sustava koristi skup makroskopskih karakteristika koje se mogu eksperimentalno izmjeriti. To uključuje tlak P, volumen V i apsolutnu temperaturu T. Ako su sve tri veličine poznate za sustav koji se proučava u danom trenutku, onda kažu da je njegovo stanje određeno.
Koncept kvazistatičkog procesa podrazumijeva prijelaz između dva stanja. Tijekom ove tranzicije,Naravno, termodinamičke karakteristike sustava se mijenjaju. Ako su u svakom trenutku vremena tijekom kojeg se prijelaz nastavlja, za sustav 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 vanjski utjecaj na sustav beznačajan tako da ima vremena da brzo dođe u ravnotežu.
Pravi procesi nisu kvazi-statični, pa će koncept koji se razmatra biti idealiziran. Primjerice, pri širenju ili stlačenju plina u njemu dolazi do turbulentnih promjena i valnih procesa koji zahtijevaju određeno vrijeme za njihovo prigušenje. Ipak, u brojnim praktičnim slučajevima, za plinove u kojima se čestice kreću velikom brzinom, ravnoteža se brzo uspostavlja, pa se različiti prijelazi između stanja u njima mogu smatrati kvazistatičkim s velikom točnošću.
Jednadžba stanja i vrste procesa u plinovima
Plin je prikladno 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 se jednadžba naziva Clapeyron-Mendelejev zakon. To izgleda ovako:
PV=nRT
Upotrebom ove jednadžbe, sve vrste izoprocesa i adijabatskih prijelaza ikonstruiraju se grafovi izobare, izoterme, izohore i adijabate. U jednakosti, n je količina tvari u sustavu, R je konstanta za sve plinove. U nastavku razmatramo sve navedene vrste kvazistatičkih procesa.
Izotermički prijelaz
Prvi put je proučavan krajem 17. stoljeća koristeći razne plinove kao primjer. Odgovarajuće eksperimente izveli su Robert Boyle i Edm Mariotte. Znanstvenici su došli do sljedećeg rezultata:
PV=const kada je T=const
Ako povećate tlak u sustavu, tada će se njegov volumen smanjiti proporcionalno ovom povećanju, ako sustav održava konstantnu temperaturu. Lako je sami izvesti ovaj zakon iz jednadžbe stanja.
Izoterma na grafu je hiperbola koja se približava P i V osi.
Izobarični i izohorični prijelazi
Izobarični (pri konstantnom tlaku) i izohorni (pri konstantnom volumenu) prijelazi u plinovima proučavani su početkom 19. stoljeća. Velika zasluga u njihovom proučavanju i otkrivanju relevantnih zakona pripada Francuzima Jacquesu Charlesu i Gay-Lussacu. 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 jednadžbe stanja ako postavimo odgovarajuću konstantu parametra.
Kombinirali smo ove prijelaze pod jednim stavkom članka jer imaju isti grafički prikaz. Za razliku od izoterme, izobara i izohora su ravne linije kojepokazuju izravnu proporcionalnost između volumena i temperature, odnosno tlaka i temperature.
Adijabatski proces
Od opisanih izoprocesa se razlikuje po tome što se odvija u potpunoj toplinskoj izolaciji od okoliša. Kao rezultat adijabatskog prijelaza, plin se širi ili skuplja bez izmjene topline s okolinom. U tom slučaju dolazi do odgovarajuće promjene njegove unutarnje energije, to jest:
dU=- PdV
Za opisivanje adijabatskog kvazistatičkog procesa važno je poznavati dvije veličine: izobarični CP i izohorni CVtoplinski kapacitet. Vrijednost CP govori koliko topline mora biti preneseno u sustav kako bi povećao svoju temperaturu za 1 K tijekom izobarične ekspanzije. Vrijednost CV znači isto, samo za konstantno zagrijavanje.
Jednadžba za ovaj proces za idealni plin naziva se Poissonova jednadžba. Zapisuje se u parametrima P i V na sljedeći način:
PVγ=const
Ovdje se parametar γ naziva adijabatskim eksponentom. Jednako je omjeru CP i CV. Za jednoatomski plin γ=1,67, za dvoatomski plin - 1,4, ako plin tvore složenije molekule, tada je γ=1,33.
Budući da se adijabatski proces događa isključivo zbog vlastitih unutarnjih energetskih resursa, adijabatski graf u P-V osi ponaša se oštrije od grafa izoterme(hiperbola).
