Termodinamika është një degë e rëndësishme e fizikës që studion dhe përshkruan sistemet termodinamike në ekuilibër ose prirje ndaj tij. Për të qenë në gjendje të përshkruajmë kalimin nga një gjendje fillestare në një gjendje përfundimtare duke përdorur ekuacionet e termodinamikës, është e nevojshme të bëhet një përafrim i një procesi kuazi-statik. Çfarë është ky përafrim dhe cilat lloje të këtyre proceseve, do të shqyrtojmë në këtë artikull.
Çfarë nënkuptohet me një proces kuazi-statik?
Siç e dini, termodinamika për të përshkruar gjendjen e sistemit përdor një grup karakteristikash makroskopike që mund të maten eksperimentalisht. Këto përfshijnë presionin P, vëllimin V dhe temperaturën absolute T. Nëse të tre sasitë janë të njohura për sistemin në studim në një moment të caktuar, atëherë ata thonë se gjendja e tij është përcaktuar.
Koncepti i një procesi pothuajse statik nënkupton një kalim midis dy gjendjeve. Gjatë këtij tranzicioni,Natyrisht, karakteristikat termodinamike të sistemit ndryshojnë. Nëse në çdo moment të kohës gjatë të cilit tranzicioni vazhdon, T, P dhe V janë të njohura për sistemin, dhe ai nuk është larg nga gjendja e tij ekuilibër, atëherë themi se ndodh një proces kuazi-statik. Me fjalë të tjera, ky proces është një tranzicion vijues midis një grupi gjendjesh ekuilibri. Ai supozon se ndikimi i jashtëm në sistem është i parëndësishëm në mënyrë që ai të ketë kohë për të ardhur shpejt në ekuilibër.
Proceset reale nuk janë pothuajse statike, kështu që koncepti në shqyrtim do të idealizohet. Për shembull, gjatë zgjerimit ose ngjeshjes së një gazi, ndodhin ndryshime turbulente dhe procese valore në të, të cilat kërkojnë pak kohë për zbutjen e tyre. Megjithatë, në një numër rastesh praktike, për gazet në të cilat grimcat lëvizin me shpejtësi të madhe, ekuilibri vendoset shpejt, kështu që kalimet e ndryshme ndërmjet gjendjeve në to mund të konsiderohen pothuajse statike me saktësi të lartë.
Ekuacioni i gjendjes dhe llojeve të proceseve në gaze
Gazi është një gjendje agregate e përshtatshme e materies për studimin e tij në termodinamikë. Kjo për faktin se për përshkrimin e tij ekziston një ekuacion i thjeshtë që lidh të tre madhësitë e mësipërme termodinamike. Ky ekuacion quhet ligji Clapeyron-Mendeleev. Duket kështu:
PV=nRT
Duke përdorur këtë ekuacion, të gjitha llojet e izoproceseve dhe tranzicionit adiabatik dhendërtohen grafikët e izobarit, izotermës, izokorës dhe adiabatit. Në barazi, n është sasia e substancës në sistem, R është një konstante për të gjithë gazrat. Më poshtë kemi parasysh të gjitha llojet e shënuara të proceseve kuazi-statike.
Tranzicioni izotermik
U studiua për herë të parë në fund të shekullit të 17-të duke përdorur gazra të ndryshëm si shembull. Eksperimentet përkatëse u kryen nga Robert Boyle dhe Edm Mariotte. Shkencëtarët dolën me rezultatin e mëposhtëm:
PV=konstit kur T=konst
Nëse rritni presionin në sistem, atëherë vëllimi i tij do të ulet në raport me këtë rritje, nëse sistemi mban një temperaturë konstante. Është e lehtë ta nxjerrësh vetë këtë ligj nga ekuacioni i gjendjes.
Izotermia në grafik është një hiperbolë që i afrohet boshteve P dhe V.
Tranzicionet izobarike dhe izokorike
Tranzicionet izobarike (në presion konstant) dhe izokorik (në vëllim konstant) në gaze u studiuan në fillim të shekullit të 19-të. Merita e madhe në studimin e tyre dhe zbulimin e ligjeve përkatëse i takon francezëve Jacques Charles dhe Gay-Lussac. Të dy proceset përfaqësohen matematikisht si më poshtë:
V/T=konstacion kur P=konst;
P/T=konstit kur V=konst
Të dyja shprehjet rrjedhin nga ekuacioni i gjendjes nëse vendosim parametrin përkatës konstante.
Ne i kemi kombinuar këto kalime në një paragraf të artikullit sepse ato kanë të njëjtin paraqitje grafike. Ndryshe nga izotermi, izobari dhe izokori janë vija të drejta qëtregojnë proporcionalitet të drejtpërdrejtë ndërmjet vëllimit dhe temperaturës dhe presionit dhe temperaturës përkatësisht.
Proces adiabatik
Ndryshon nga izoproceset e përshkruara në atë që vazhdon në izolim të plotë termik nga mjedisi. Si rezultat i tranzicionit adiabatik, gazi zgjerohet ose tkurret pa shkëmbim nxehtësie me mjedisin. Në këtë rast, ndodh një ndryshim përkatës në energjinë e tij të brendshme, domethënë:
dU=- PdV
Për të përshkruar një proces pothuajse statik adiabatik, është e rëndësishme të njihni dy sasi: CP dhe izokorik CVNxehtësia. Vlera CP tregon se sa nxehtësi duhet t'i jepet sistemit në mënyrë që të rrisë temperaturën e tij me 1 K gjatë zgjerimit izobarik. Vlera CV do të thotë e njëjta gjë, vetëm për ngrohje me volum konstant.
Ekuacioni për këtë proces për një gaz ideal quhet ekuacioni Poisson. Është shkruar në parametrat P dhe V si më poshtë:
PVγ=konst
Këtu parametri γ quhet eksponent adiabatik. Është e barabartë me raportin e CP dhe CV. Për një gaz monoatomik γ=1,67, për një gaz diatomik - 1,4, nëse gazi formohet nga molekula më komplekse, atëherë γ=1,33.
Meqenëse procesi adiabatik ndodh vetëm për shkak të burimeve të tij të brendshme të energjisë, grafiku adiabatik në akset P-V sillet më qartë se grafiku izotermik(hiperbolë).
