العمليات الأديباتية: التعريف والمعادلة والأمثلة

الديناميكا الحرارية هي فرع من فروع الفيزياء يدرس العمليات التي يمكن للطاقة الحرارية من خلالها تغيير شكلها. غالبًا ما تتم دراسة الغازات المثالية على وجه التحديد ، ليس فقط لأنها أبسط بكثير في الفهم ، ولكن يمكن تقريب العديد من الغازات على أنها مثالية.

يتم تحديد حالة ديناميكية حرارية معينة بواسطة متغيرات الحالة. وتشمل هذه الضغط والحجم ودرجة الحرارة. من خلال دراسة العمليات التي يتغير بها النظام الديناميكي الحراري من حالة إلى أخرى ، يمكنك اكتساب فهم أعمق للفيزياء الأساسية.

تصف العديد من العمليات الديناميكية الحرارية المثالية كيف يمكن أن تخضع حالات الغاز المثالي للتغيير. العملية الأديباتية ليست سوى واحدة من هذه.

يمكن وصف حالة الغاز المثالي في أي نقطة زمنية من خلال متغيرات الحالة ، الضغط والحجم ودرجة الحرارة. هذه الكميات الثلاث كافية لتحديد الحالة الحالية للغاز ولا تعتمد إطلاقاً على كيفية حصول الغاز على حالته الحالية.

الكميات الأخرى ، مثل الطاقة الداخلية والإنتروبيا ، هي وظائف لمتغيرات الحالة هذه. مرة أخرى ، لا تعتمد وظائف الحالة على كيفية دخول النظام إلى حالته الخاصة أيضًا. إنها تعتمد فقط على المتغيرات التي تصف الحالة التي هي عليها حاليًا.

من ناحية أخرى ، تصف وظائف العملية العملية. تعتبر الحرارة والعمل من وظائف المعالجة في النظام الديناميكي الحراري. لا يتم تبادل الحرارة إلا أثناء التغيير من حالة إلى أخرى ، تمامًا كما لا يمكن تنفيذ العمل إلا عند تغيير حالة النظام.

العملية الحافظة للحرارة هي عملية ديناميكية حرارية تحدث بدون انتقال للحرارة بين النظام وبيئته. بعبارة أخرى ، تتغير الحالة ، يمكن العمل على النظام أو من خلاله أثناء هذا التغيير ، ولكن لا يتم إضافة أو إزالة طاقة حرارية.

نظرًا لعدم وجود عملية فيزيائية يمكن أن تحدث على الفور ولا يمكن عزل أي نظام تمامًا ، فلا يمكن أبدًا تحقيق حالة ثابتة الحرارة في الواقع. ومع ذلك ، يمكن تقريبها ، ويمكن تعلم الكثير من خلال دراستها.

كلما حدثت العملية بشكل أسرع ، يمكن أن تكون أقرب إلى ثابت الحرارة لأنه سيكون هناك وقت أقل لنقل الحرارة.

ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أن التغيير في الطاقة الداخلية للنظام يساوي فرق الحرارة المضافة إلى النظام والعمل الذي يقوم به النظام. في شكل معادلة ، هذا هو:

أينههي الطاقة الداخلية ،سهي الحرارة المضافة إلى النظام ودبليوهو العمل الذي يقوم به النظام.

نظرًا لعدم وجود تبادل حراري في عملية ثابتة الحرارة ، فيجب أن يكون الأمر كما يلي:

بمعنى آخر ، إذا غادرت الطاقة النظام ، فهي نتيجة عمل النظام ، وإذا دخلت الطاقة إلى النظام ، فإنها تنتج مباشرة من العمل المنجز على النظام.

عندما يتوسع النظام بشكل ثابت ، يزداد الحجم بينما لا يتم تبادل الحرارة. تشكل هذه الزيادة في الحجم العمل الذي يقوم به النظام على البيئة. ومن ثم يجب أن تنخفض الطاقة الداخلية. نظرًا لأن الطاقة الداخلية تتناسب طرديًا مع درجة حرارة الغاز ، فهذا يعني أن تغير درجة الحرارة سيكون سالبًا (تنخفض درجة الحرارة).

من قانون الغاز المثالي ، يمكنك الحصول على التعبير التالي للضغط:

أيننهو عدد الشامات ،رهو ثابت الغاز المثالي ،تيهي درجة الحرارة والخامسهو الحجم.

للتوسع ثابت الحرارة ، تنخفض درجة الحرارة بينما يرتفع الحجم. هذا يعني أن الضغط يجب أن ينخفض ​​أيضًا لأن البسط في التعبير أعلاه سينخفض ​​بينما يزداد المقام.

يحدث العكس في ضغط ثابت الحرارة. نظرًا لأن الانخفاض في الحجم يشير إلى العمل الذي يتم إجراؤه على النظام بواسطة البيئة ، فهذا من شأنه ينتج عنه تغيير إيجابي في الطاقة الداخلية يقابل ارتفاع درجة الحرارة (نهائي أعلى درجة الحرارة).

إذا زادت درجة الحرارة بينما انخفض الحجم ، يزداد الضغط أيضًا.

أحد الأمثلة التي توضح عملية ثابتة ثابتة غالبًا ما تظهر في دورات الفيزياء هو تشغيل حقنة النار. تتكون حقنة النار من أنبوب معزول مغلق من طرف واحد ويحتوي على مكبس من الطرف الآخر. يمكن دفع المكبس لضغط الهواء في الأنبوب.

إذا تم وضع قطعة صغيرة من القطن أو مادة أخرى قابلة للاشتعال في الأنبوب في درجة حرارة الغرفة ، ثم يتم وضع المكبس عند دفعه للأسفل بسرعة كبيرة ، ستتغير حالة الغاز في الأنبوب مع تبادل الحرارة مع الخارج. يؤدي الضغط المتزايد في الأنبوب الذي يحدث عند الضغط إلى ارتفاع درجة الحرارة داخل الأنبوب بشكل كبير ، بما يكفي بحيث تحترق قطعة القطن الصغيرة.

أحجم الضغطمخطط (P-V) هو رسم بياني يصور التغير في حالة النظام الديناميكي الحراري. في مثل هذا الرسم التخطيطي ، يتم رسم الحجم علىx-المحور ، والضغط مرسوم علىذ-محور. يتم الإشارة إلى حالة بواسطة (س ، ص) النقطة المقابلة لضغط وحجم معينين. (ملاحظة: يمكن تحديد درجة الحرارة من الضغط والحجم باستخدام قانون الغاز المثالي).

عندما تتغير الحالة من ضغط وحجم معين إلى ضغط وحجم آخر ، يمكن رسم منحنى على الرسم التخطيطي يشير إلى كيفية حدوث تغير الحالة. على سبيل المثال ، قد تبدو العملية متساوية الضغط (حيث يظل الضغط ثابتًا) كخط أفقي على مخطط PV. يمكن رسم منحنيات أخرى تربط بين نقطة البداية ونقطة النهاية ، وبالتالي ينتج عنها كميات مختلفة من العمل الذي يتم إنجازه. هذا هو سبب أهمية شكل المسار على الرسم التخطيطي.

تظهر العملية الثابتة على شكل منحنى يطيع العلاقة:

أينجهي نسبة درجات حرارة محددة ج_ص/ ج_الخامس (​ج_صهي الحرارة النوعية للغاز للضغط المستمر ، وج_الخامسهي الحرارة النوعية للحجم الثابت). للحصول على غاز أحادي الذرة مثالي ،ج= 1.66 ، وبالنسبة للهواء ، وهو غاز ثنائي الذرة بشكل أساسي ،ج​ = 1.4

المحركات الحرارية هي محركات تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية عبر دورة كاملة من نوع ما. في مخطط P-V ، ستشكل دورة المحرك الحراري حلقة مغلقة ، مع انتهاء حالة المحرك من حيث بدأ ، ولكن القيام بعمل في عملية الوصول إلى هناك.

تعمل العديد من العمليات في اتجاه واحد فقط ؛ ومع ذلك ، فإن العمليات القابلة للعكس تعمل بشكل جيد للأمام وللخلف دون كسر قوانين الفيزياء. العملية الحافظة للحرارة هي نوع من العمليات القابلة للعكس. هذا يجعلها مفيدة بشكل خاص في المحرك الحراري لأنه يعني أنه لا يحول أي طاقة إلى شكل غير قابل للاسترداد.

في المحرك الحراري ، يكون إجمالي العمل الذي يقوم به المحرك هو المساحة الموجودة داخل حلقة الدورة.

تشمل العمليات الديناميكية الحرارية الأخرى التي تمت مناقشتها بمزيد من التفصيل في مقالات أخرى ما يلي:

عمليات متساوية الضغط ، والتي تحدث تحت ضغط مستمر. ستبدو هذه كخطوط أفقية على مخطط PV. العمل المنجز في عملية متساوية الضغط يساوي قيمة الضغط الثابت مضروبة في التغيير في الحجم.

عملية Isochoric ، والتي تحدث بحجم ثابت. هذه تبدو كخطوط عمودية على مخطط PV. نظرًا لحقيقة أن الحجم لا يتغير أثناء هذه العمليات ، لا يتم تنفيذ أي عمل.

تحدث العمليات المتساوية عند درجة حرارة ثابتة. مثل العمليات الثابتة ، يمكن عكسها. ومع ذلك ، لكي تكون العملية متساوية الحرارة تمامًا ، يجب أن تحافظ على توازن ثابت ، والذي من شأنه يعني أنه يجب أن يحدث ببطء غير محدود ، على عكس المتطلبات الآنية للحالة الثابتة عملية.