Thermodynamik ist ein wichtiger Zweig der Physik, der thermodynamische Systeme im Gleichgewicht untersucht und beschreibt. Um den Übergang von einem Anfangszustand in einen Endzustand mit den Gleichungen der Thermodynamik beschreiben zu können, ist es notwendig, eine Annäherung an einen quasistatischen Vorgang vorzunehmen. Was ist diese Annäherung und welche Arten dieser Prozesse sind wir in diesem Artikel betrachten.
Was versteht man unter einem quasistatischen Prozess?
Wie Sie wissen, verwendet die Thermodynamik zur Beschreibung des Zustands des Systems eine Reihe makroskopischer Eigenschaften, die experimentell gemessen werden können. Dazu gehören der Druck P, das Volumen V und die absolute Temperatur T. Wenn alle drei Größen für das untersuchte System zu einem bestimmten Zeitpunkt bekannt sind, dann sagt man, dass sein Zustand bestimmt wurde.
Das Konzept eines quasistatischen Prozesses impliziert einen Übergang zwischen zwei Zuständen. Während dieses ÜbergangsNatürlich ändern sich die thermodynamischen Eigenschaften des Systems. Wenn zu jedem Zeitpunkt, in dem der Übergang andauert, T, P und V für das System bekannt sind und es nicht weit von seinem Gleichgewichtszustand entfernt ist, dann sagen wir, dass ein quasistatischer Prozess stattfindet. Mit anderen Worten, dieser Prozess ist ein sequentieller Übergang zwischen einer Reihe von Gleichgewichtszuständen. Er geht davon aus, dass der äußere Einfluss auf das System unbedeutend ist, damit es Zeit hat, schnell ins Gleichgewicht zu kommen.
Reale Prozesse sind nicht quasistatisch, daher wird das betrachtete Konzept idealisiert. Beispielsweise kommt es beim Expandieren oder Komprimieren eines Gases zu turbulenten Veränderungen und Wellenvorgängen, die zu ihrer Dämpfung einige Zeit benötigen. Dennoch stellt sich in einer Reihe praktischer Fälle für Gase, in denen sich Teilchen mit hoher Geschwindigkeit bewegen, schnell ein Gleichgewicht ein, sodass verschiedene Übergänge zwischen Zuständen in ihnen mit hoher Genauigkeit als quasistatisch betrachtet werden können.
Zustandsgleichungen und Prozessarten in Gasen
Gas ist ein geeigneter Aggregatzustand der Materie für seine Untersuchung in der Thermodynamik. Dies liegt daran, dass es zu seiner Beschreibung eine einfache Gleichung gibt, die alle drei oben genannten thermodynamischen Größen in Beziehung setzt. Diese Gleichung wird als Clapeyron-Mendeleev-Gesetz bezeichnet. Das sieht so aus:
PV=nRT
Mit dieser Gleichung können alle Arten von Isoprozessen und adiabatischen Übergängen undDiagramme der Isobaren, Isothermen, Isochoren und Adiabaten werden erstellt. In Gleichheit ist n die Stoffmenge im System, R ist eine Konstante für alle Gase. Im Folgenden betrachten wir alle erwähnten Arten von quasistatischen Prozessen.
Isothermischer Übergang
Es wurde Ende des 17. Jahrhunderts erstmals am Beispiel verschiedener Gase untersucht. Die entsprechenden Experimente wurden von Robert Boyle und Edm Mariotte durchgeführt. Wissenschaftler kamen zu folgendem Ergebnis:
PV=const wenn T=const
Erhöht man den Druck im System, so nimmt das Volumen proportional zu dieser Erhöhung ab, wenn das System eine konstante Temperatur beibehält. Dieses Gesetz lässt sich leicht selbst aus der Zustandsgleichung herleiten.
Die Isotherme in der Grafik ist eine Hyperbel, die sich den P- und V-Achsen annähert.
Isobare und isochore Übergänge
Isobare (bei konstantem Druck) und isochore (bei konstantem Volumen) Übergängen in Gasen wurden zu Beginn des 19. Jahrhunderts untersucht. Große Verdienste um ihr Studium und die Entdeckung der einschlägigen Gesetze gebührt den Franzosen Jacques Charles und Gay-Lussac. Beide Prozesse werden mathematisch wie folgt dargestellt:
V/T=const wenn P=const;
P/T=konstant wenn V=konstant
Beide Ausdrücke folgen aus der Zustandsgleichung, wenn wir den entsprechenden Parameter konstant setzen.
Wir haben diese Übergänge in einem Absatz des Artikels zusammengefasst, weil sie die gleiche grafische Darstellung haben. Im Gegensatz zur Isotherme sind Isobare und Isochore gerade Linienzeigen direkte Proportionalität zwischen Volumen und Temperatur bzw. Druck und Temperatur.
Adiabatischer Prozess
Er unterscheidet sich von den beschriebenen Isoprozessen dadurch, dass er in völliger thermischer Isolation von der Umgebung abläuft. Durch den adiabatischen Übergang dehnt sich das Gas aus oder zieht sich ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung zusammen. In diesem Fall tritt eine entsprechende Änderung seiner inneren Energie auf, das heißt:
dU=- PdV
Um einen adiabatischen quasistatischen Prozess zu beschreiben, ist es wichtig, zwei Größen zu kennen: isobare CP und isochore CVWärmekapazität. Der Wert CP gibt an, wie viel Wärme dem System zugeführt werden muss, damit es bei der isobaren Expansion seine Temperatur um 1 K erhöht. Der Wert CV bedeutet dasselbe, nur für Konstantvolumenheizung.
Die Gleichung für diesen Prozess für ein ideales Gas heißt Poisson-Gleichung. Sie wird wie folgt in die Parameter P und V geschrieben:
PVγ=const
Hier wird der Parameter γ als Adiabatenexponent bezeichnet. Es ist gleich dem Verhältnis von CP und CV. Für ein einatomiges Gas γ=1,67, für ein zweiatomiges Gas - 1,4, wenn das Gas aus komplexeren Molekülen besteht, dann γ=1,33.
Da der adiabatische Prozess ausschließlich aufgrund seiner eigenen internen Energieressourcen abläuft, verhält sich der adiabatische Graph in den P-V-Achsen schärfer als der isotherme Graph(Hyperbel).
