Poznavanje definicija u fizici ključni je čimbenik za uspješno rješavanje različitih fizičkih problema. U članku ćemo razmotriti što se podrazumijeva pod izobarnim, izohornim, izotermnim i adijabatskim procesima za idealni plinski sustav.
Idealni plin i njegova jednadžba
Prije nego pređemo na opis izobaričnih, izohornih i izotermnih procesa, razmotrimo što je idealni plin. Pod ovom definicijom u fizici oni smatraju sustav koji se sastoji od ogromnog broja bezdimenzionalnih i neinteragirajućih čestica koje se kreću velikom brzinom u svim smjerovima. Zapravo, govorimo o plinovitom agregatnom stanju tvari, u kojem udaljenosti između atoma i molekula daleko premašuju njihove veličine i u kojem je potencijalna energija interakcije čestica zanemarena zbog svoje malenosti u usporedbi s kinetičkom energijom.
Stanje idealnog plina je ukupnost njegovih termodinamičkih parametara. Glavni su temperatura, volumen i tlak. Označimo ih slovima T, V i P, redom. U 30-im godinama XIX stoljećaClapeyron (francuski znanstvenik) prvi je napisao jednadžbu koja kombinira naznačene termodinamičke parametre unutar jedne jednakosti. Izgleda ovako:
PV=nRT,
gdje su n i R količina tvari i plinska konstanta, respektivno.
Što su izoprocesi u plinovima?
Kao što su mnogi primijetili, izobarični, izohorični i izotermni procesi koriste isti "iso" prefiks u svojim nazivima. To znači jednakost jednog termodinamičkog parametra tijekom prolaska cijelog procesa, dok se preostali parametri mijenjaju. Na primjer, izotermni proces pokazuje da se, kao rezultat, apsolutna temperatura sustava održava konstantnom, dok izohorični proces ukazuje na konstantan volumen.
Izoprocesi su prikladni za proučavanje, budući da fiksiranje jednog od termodinamičkih parametara dovodi do pojednostavljenja opće jednadžbe stanja plina. Važno je napomenuti da su plinski zakoni za sve te izoprocese otkriveni eksperimentalno. Njihova analiza omogućila je Clapeyronu da dobije smanjenu univerzalnu jednadžbu.
Izobarični, izohorni i izotermički procesi
Otkriven je prvi zakon za izotermni proces u idealnom plinu. Sada se to zove Boyle-Mariotteov zakon. Budući da se T ne mijenja, jednadžba stanja implicira jednakost:
PV=konst.
Drugim riječima, svaka promjena tlaka u sustavu dovodi do obrnuto proporcionalne promjene njegovog volumena, ako se temperatura plina održava konstantnom. Graf funkcije P(V) jehiperbola.
Izobarični proces - ovo je promjena stanja sustava u kojoj tlak ostaje konstantan. Fiksirajući vrijednost P u Clapeyronovu jednadžbu, dobivamo sljedeći zakon:
V/T=konst.
Ova jednakost nosi ime francuskog fizičara Jacquesa Charlesa, koji ju je primio krajem 18. stoljeća. Izobara (grafički prikaz funkcije V(T)) izgleda kao ravna crta. Što je veći pritisak u sustavu, ova linija se brže diže.
Izobarski proces je jednostavan za implementaciju ako se plin zagrijava ispod klipa. Molekule potonjeg povećavaju svoju brzinu (kinetičku energiju), stvaraju veći pritisak na klip, što dovodi do širenja plina i održavanja konstantne vrijednosti P.
Konačno, treći izoproces je izohoričan. Radi s konstantnim volumenom. Iz jednadžbe stanja dobivamo odgovarajuću jednakost:
P/T=konst.
Među fizičarima je poznat kao Gay-Lussacov zakon. Izravna proporcionalnost između tlaka i apsolutne temperature pokazuje da je graf izohornog procesa, kao i graf izobarnog, ravna linija s pozitivnim nagibom.
Važno je razumjeti da se svi izoprocesi događaju u zatvorenim sustavima, odnosno da je vrijednost n očuvana tijekom njihovog tijeka.
Adijabatski proces
Ovaj proces ne pripada "iso" kategoriji, budući da se sva tri termodinamička parametra mijenjaju tijekom njegovog prolaska. adijabatskinaziva se prijelaz između dva stanja sustava, u kojem ne izmjenjuje toplinu s okolinom. Dakle, širenje sustava se provodi zbog njegovih unutarnjih rezervi energije, što dovodi do značajnog pada tlaka i apsolutne temperature u njemu.
Adijabatski proces za idealni plin opisan je Poissonovim jednadžbama. Jedan od njih je prikazan ispod:
PVγ=const,
gdje je γ omjer toplinskih kapaciteta pri konstantnom tlaku i pri konstantnom volumenu.
Adijabatski graf razlikuje se od grafa izohornog procesa i od izobarnog grafa, ali je sličan hiperboli (izotermi). Adijabat u P-V osi ponaša se oštrije od izoterme.
