La termodinamica è una branca importante della fisica che studia e descrive i sistemi termodinamici in equilibrio o tendenti ad esso. Per poter descrivere il passaggio da uno stato iniziale a uno stato finale utilizzando le equazioni della termodinamica, è necessario fare un'approssimazione di un processo quasi statico. Qual è questa approssimazione e quali sono i tipi di questi processi, considereremo in questo articolo.
Cosa si intende per processo quasi statico?
Come sai, la termodinamica per descrivere lo stato del sistema utilizza un insieme di caratteristiche macroscopiche che possono essere misurate sperimentalmente. Questi includono la pressione P, il volume V e la temperatura assoluta T. Se tutte e tre le grandezze sono note per il sistema in studio in un dato momento, allora dicono che il suo stato è stato determinato.
Il concetto di processo quasi statico implica una transizione tra due stati. Durante questo passaggio,Naturalmente le caratteristiche termodinamiche del sistema cambiano. Se in ogni momento durante il quale la transizione continua, T, P e V sono noti per il sistema, e non è lontano dal suo stato di equilibrio, allora diciamo che si verifica un processo quasi statico. In altre parole, questo processo è una transizione sequenziale tra un insieme di stati di equilibrio. Presume che l'influenza esterna sul sistema sia insignificante in modo che abbia il tempo di raggiungere rapidamente l'equilibrio.
I processi reali non sono quasi statici, quindi il concetto in esame sarà idealizzato. Ad esempio, quando si espande o si comprime un gas, si verificano cambiamenti turbolenti e processi ondulatori, che richiedono del tempo per la loro attenuazione. Tuttavia, in un certo numero di casi pratici, per i gas in cui le particelle si muovono ad alta velocità, l'equilibrio si instaura rapidamente, quindi varie transizioni tra stati in essi possono essere considerate quasi statiche con elevata precisione.
Equazione di stato e tipi di processi nei gas
Il gas è uno stato aggregato della materia conveniente per il suo studio in termodinamica. Ciò è dovuto al fatto che per la sua descrizione esiste una semplice equazione che mette in relazione tutte e tre le suddette grandezze termodinamiche. Questa equazione è chiamata legge di Clapeyron-Mendeleev. Si presenta così:
PV=nRT
Usando questa equazione, tutti i tipi di isoprocessi e transizioni adiabatiche evengono costruiti i grafici dell'isobar, dell'isoterma, dell'isocore e dell'adiabat. In uguaglianza, n è la quantità di sostanza nel sistema, R è una costante per tutti i gas. Di seguito consideriamo tutti i tipi noti di processi quasi-statici.
Transizione isotermica
Fu studiato per la prima volta alla fine del 17° secolo usando vari gas come esempio. Gli esperimenti corrispondenti sono stati condotti da Robert Boyle e Edm Mariotte. Gli scienziati hanno ottenuto il seguente risultato:
PV=cost quando T=cost
Se aumenti la pressione nel sistema, il suo volume diminuirà in proporzione a questo aumento, se il sistema mantiene una temperatura costante. È facile derivare tu stesso questa legge dall'equazione di stato.
L'isoterma sul grafico è un'iperbole che si avvicina agli assi P e V.
Transizioni isobariche e isocore
Le transizioni isobariche (a pressione costante) e isocore (a volume costante) nei gas furono studiate all'inizio del XIX secolo. Grande merito nello studio e nella scoperta delle leggi rilevanti spetta ai francesi Jacques Charles e Gay-Lussac. Entrambi i processi sono rappresentati matematicamente come segue:
V/T=cost quando P=cost;
P/T=cost quando V=cost
Entrambe le espressioni seguono dall'equazione di stato se impostiamo la costante del parametro corrispondente.
Abbiamo combinato queste transizioni in un paragrafo dell'articolo perché hanno la stessa rappresentazione grafica. A differenza dell'isoterma, l'isobar e l'isocore sono linee rette chemostrano la proporzionalità diretta tra volume e temperatura e rispettivamente pressione e temperatura.
Processo adiabatico
Si differenzia dagli isoprocessi descritti in quanto procede in completo isolamento termico dall'ambiente. Per effetto della transizione adiabatica, il gas si espande o si contrae senza scambio di calore con l'ambiente. In questo caso si verifica un corrispondente cambiamento nella sua energia interna, cioè:
dU=- PdV
Per descrivere un processo adiabatico quasi statico, è importante conoscere due grandezze: isobarico CP e isocoro CVcapacità termica. Il valore CP indica quanto calore deve essere impartito al sistema in modo che aumenti la sua temperatura di 1 K durante l'espansione isobarica. Il valore CV significa lo stesso, solo per il riscaldamento a volume costante.
L'equazione per questo processo per un gas ideale è chiamata equazione di Poisson. Si scrive nei parametri P e V come segue:
PVγ=const
Qui il parametro γ è chiamato esponente adiabatico. È uguale al rapporto di CP e CV. Per un gas monoatomico γ=1,67, per un gas biatomico - 1,4, se il gas è formato da molecole più complesse, allora γ=1,33.
Poiché il processo adiabatico si verifica esclusivamente a causa delle proprie risorse energetiche interne, il grafico adiabatico negli assi P-V si comporta in modo più netto rispetto al grafico isotermico(iperbole).
