თერმოდინამიკა არის ფიზიკის დარგი, რომელიც სწავლობს პროცესებს, რომლითაც სითბოს ენერგიას შეუძლია ფორმის შეცვლა. ხშირად იდეალურ გაზებს სპეციალურად სწავლობენ, რადგან არა მხოლოდ მათი გაგება ბევრად უფრო მარტივია, არამედ ბევრი გაზების მიახლოება იდეალურადაა შესაძლებელი.
კონკრეტული თერმოდინამიკური მდგომარეობა განისაზღვრება მდგომარეობის ცვლადებით. ეს მოიცავს წნევას, მოცულობას და ტემპერატურას. იმ პროცესების შესწავლით, რომლითაც თერმოდინამიკური სისტემა იცვლება ერთი მდგომარეობიდან მეორეში, შეგიძლიათ გაეცნოთ არსებულ ფიზიკას.
რამდენიმე იდეალიზებული თერმოდინამიკური პროცესი აღწერს, თუ როგორ შეიძლება შეიცვალოს იდეალური გაზის მდგომარეობები. ადიაბატური პროცესი მხოლოდ ერთი მათგანია.
სახელმწიფო ცვლადები, მდგომარეობის ფუნქციები და პროცესის ფუნქციები
იდეალური გაზის მდგომარეობა დროის ნებისმიერ მონაკვეთში შეიძლება აღწერილი იყოს მდგომარეობის ცვლადებით წნევა, მოცულობა და ტემპერატურა. ეს სამი რაოდენობა საკმარისია გაზის ამჟამინდელი მდგომარეობის დასადგენად და სულაც არ არის დამოკიდებული იმაზე, თუ როგორ მიიღო გაზმა ამჟამინდელი მდგომარეობა.
სხვა სიდიდეები, როგორიცაა შინაგანი ენერგია და ენტროპია, ამ სახელმწიფო ცვლადების ფუნქციებია. კიდევ ერთხელ, სახელმწიფო ფუნქციები არ არის დამოკიდებული იმაზე, თუ როგორ მოხვდა სისტემა თავის კონკრეტულ მდგომარეობაში. ისინი მხოლოდ იმ ცვლადებზე არიან დამოკიდებული, სადაც ამჟამად იმყოფება მდგომარეობა.
მეორეს მხრივ, პროცესის ფუნქციები აღწერს პროცესს. სითბო და მუშაობა თერმოდინამიკურ სისტემაში პროცესის ფუნქციებია. სითბოს გაცვლა ხდება მხოლოდ ერთი მდგომარეობიდან მეორეში ცვლილების დროს, ისევე როგორც სამუშაო შეიძლება შესრულდეს მხოლოდ სისტემის შეცვლისას.
რა არის ადიაბატური პროცესი?
ადიაბატური პროცესია თერმოდინამიკური პროცესი, რომელიც ხდება სისტემასა და მის გარემოს შორის სითბოს გადაცემის გარეშე. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, მდგომარეობა იცვლება, ამ ცვლილების დროს სისტემაში მუშაობა ან სისტემის მეშვეობით შეიძლება, მაგრამ სითბოს ენერგია არ ემატება და არ იშლება.
მას შემდეგ, რაც ვერანაირი ფიზიკური პროცესი ვერ მოხდება მყისიერად და არცერთი სისტემა ვერ იქნება იდეალურად იზოლირებული, სრულყოფილად ადიაბატური მდგომარეობა ვერასოდეს მიიღწევა სინამდვილეში. ამასთან, მისი მიახლოება შეიძლება და ბევრი რამის სწავლაც შეიძლება მისი შესწავლით.
რაც უფრო სწრაფად ხდება პროცესი, მით უფრო ახლოს შეიძლება იყოს იგი ადიაბატურთან, რადგან ნაკლები დრო იქნება სითბოს გადასაცემად.
ადიაბატური პროცესები და თერმოდინამიკის პირველი კანონი
თერმოდინამიკის პირველ კანონში ნათქვამია, რომ სისტემის შინაგანი ენერგიის ცვლილება უდრის სისტემაში დამატებული სითბოს სხვაობას და სისტემის მიერ შესრულებულ სამუშაოს. განტოლების ფორმით, ეს არის:
\ დელტა E = Q-W
სადეარის შინაგანი ენერგია,Qარის სისტემაში დამატებული სითბო დავარის სისტემის მიერ შესრულებული სამუშაო.
მას შემდეგ, რაც ადიაბატურ პროცესში არ ხდება სითბოს გაცვლა, მაშინ უნდა მოხდეს:
\ დელტა E = -W
სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, თუ ენერგია ტოვებს სისტემას, ეს სისტემის მიერ სამუშაოს შესრულების შედეგია, ხოლო თუ ენერგია შემოდის სისტემაში, ეს პირდაპირ ხდება სისტემაზე შესრულებული სამუშაოდან.
ადიაბატური გაფართოება და შეკუმშვა
როდესაც სისტემა ფართოვდება ადიაბატურად, მოცულობა იზრდება, ხოლო სითბო არ იცვლება. მოცულობის ეს ზრდა წარმოადგენს სამუშაოს შესრულებას სისტემის მიერ გარემოზე. ამიტომ შინაგანი ენერგია უნდა შემცირდეს. მას შემდეგ, რაც შინაგანი ენერგია პირდაპირპროპორციულია გაზის ტემპერატურაზე, ეს ნიშნავს, რომ ტემპერატურის ცვლილება უარყოფითი იქნება (ტემპერატურა ეცემა).
გაზის იდეალური კანონის თანახმად, თქვენ შეგიძლიათ მიიღოთ შემდეგი გამოხატვა ზეწოლისთვის:
P = \ frac {nRT} {V}
სადნარის moles,რარის იდეალური გაზის მუდმივი,თარის ტემპერატურა დავარის მოცულობა.
ადიაბატური გაფართოებისთვის, ტემპერატურა იკლებს, ხოლო მოცულობა იზრდება. ეს ნიშნავს, რომ წნევაც უნდა შემცირდეს, რადგან ზემოხსენებულ გამოხატვაში, მრიცხველი შემცირდება, ხოლო მნიშვნელი გაიზრდება.
ადიაბატური შეკუმშვის დროს ხდება პირიქით. ვინაიდან მოცულობის შემცირება მიუთითებს სისტემის მიერ გარემოზე სამუშაოს შესრულებაზე გამოიწვევს შიდა ენერგიის პოზიტიურ ცვლილებას, რომელიც შეესაბამება ტემპერატურის ზრდას (უფრო მაღალი საბოლოო) ტემპერატურა).
თუ ტემპერატურა იზრდება მოცულობის შემცირებისას, წნევაც იზრდება.
ერთი მაგალითი, რომელიც ასახავს დაახლოებით ადიაბატურ პროცესს, რომელიც ხშირად ჩანს ფიზიკის კურსებზე, არის ცეცხლოვანი შპრიცის მოქმედება. სახანძრო შპრიცი შედგება იზოლირებული მილისგან, რომელიც ერთ ბოლოში დახურულია, ხოლო მეორე ბოლოს დგუშია. დგუშის ჩამოწევა შესაძლებელია მილში ჰაერის შეკუმშვის მიზნით.
თუ ბამბის ან სხვა აალებადი მასალის პატარა ნაჭერი მოათავსეს მილში ოთახის ტემპერატურაზე, მაშინ დგუში არის ძალიან სწრაფად დაეშვა ქვემოთ, მილში გაზის მდგომარეობა შეიცვლება მინიმალური სითბოს გაცვლით გარედან. მილში გაზრდილი წნევა, რომელიც ხდება შეკუმშვისას, იწვევს ტემპერატურის მკვეთრად გაზრდას ტემპერატურაში, ისე, რომ ბამბის პატარა ნაჭერი იწვის.
P-V დიაგრამები
აწნევა-მოცულობა(P-V) დიაგრამა არის გრაფიკი, რომელიც ასახავს თერმოდინამიკური სისტემის მდგომარეობის ცვლილებას. ასეთ დიაგრამაზე მოცულობა ნახაზზეა მოცემულიx-აქსი, და წნევა ნახაზზეy-აქსი. სახელმწიფო მითითებულია (x, y) წერტილი, რომელიც შეესაბამება კონკრეტულ წნევას და მოცულობას. (შენიშვნა: ტემპერატურის განსაზღვრა შესაძლებელია წნევისა და მოცულობიდან იდეალური გაზის კანონის შესაბამისად).
როგორც მდგომარეობა ერთი კონკრეტული წნევიდან და მოცულობიდან მეორეზე ხდება სხვა წნევაზე და მოცულობაში, დიაგრამაზე შეიძლება აისახოს მრუდი, თუ როგორ მოხდა მდგომარეობის ცვლილება. მაგალითად, იზობარული პროცესი (რომელშიც წნევა მუდმივი რჩება) ჰგავს ჰორიზონტალურ ხაზს P-V დიაგრამაზე. სხვა მოსახვევების დახაზვა შეიძლება საწყისი და დამთავრებული წერტილის დასაკავშირებლად და, შესაბამისად, მოხდება სხვადასხვა სამუშაოს შესრულება. სწორედ ამიტომ არის შესაბამისი დიაგრამაზე ბილიკის ფორმა.
ადიაბატური პროცესი გამოჩნდება, როგორც მრუდი, რომელიც ემორჩილება ურთიერთობას:
P \ propto \ frac {1} {V ^ c}
სადგარის კონკრეტული სითბოს თანაფარდობა გგვ/ გვ (გგვარის გაზის სპეციფიკური სითბო მუდმივი წნევისთვის დაგვარის კონკრეტული სითბო მუდმივი მოცულობისთვის). იდეალური monatomic გაზისთვის,გ= 1,66 და ჰაერისთვის, რომელიც, პირველ რიგში, დიატომიური გაზია,გ = 1.4
ადიაბატური პროცესები სითბოს ძრავებში
სითბოს ძრავები არის ძრავები, რომლებიც სითბოს ენერგიას მექანიკურ ენერგიად აქცევს გარკვეული სახის სრული ციკლის საშუალებით. P-V დიაგრამაზე, სითბოს ძრავის ციკლი შექმნის დახურულ მარყუჟს, ძრავის მდგომარეობა მთავრდება იქ, სადაც იგი დაიწყო, მაგრამ სამუშაოს ასრულებს იქ მოხვედრის პროცესში.
მრავალი პროცესი მუშაობს მხოლოდ ერთი მიმართულებით; ამასთან, შექცევადი პროცესები თანაბრად კარგად მუშაობს წინ და უკან ფიზიკის კანონების დარღვევის გარეშე. ადიაბატური პროცესი შექცევადი პროცესის სახეობაა. ეს განსაკუთრებით სასარგებლოა სითბოს ძრავაში, რადგან ეს ნიშნავს, რომ ის არ გარდაქმნის რაიმე ენერგიას გამოუსწორებელ ფორმაში.
სითბოს ძრავაში, ძრავის მიერ შესრულებული საერთო სამუშაოა ციკლის მარყუჟში მოთავსებული ტერიტორია.
სხვა თერმოდინამიკური პროცესები
სხვა სტატიებში უფრო დეტალურად განხილული სხვა თერმოდინამიკური პროცესები მოიცავს:
იზობარული პროცესები, რომლებიც ხდება მუდმივი წნევის დროს. ეს ჰგავს ჰორიზონტალურ ხაზებს P-V დიაგრამაზე. იზობარულ პროცესში შესრულებული სამუშაო ტოლია მუდმივი წნევის მნიშვნელობის გამრავლებული მოცულობის ცვლილებაზე.
იზოფორიული პროცესი, რომელიც ხდება მუდმივი მოცულობით. ეს ჰგავს ვერტიკალურ ხაზებს P-V დიაგრამაზე. იმის გამო, რომ ამ პროცესებში მოცულობა არ იცვლება, სამუშაო არ სრულდება.
იზოთერმული პროცესები ხდება მუდმივ ტემპერატურაზე. ადიაბატური პროცესების მსგავსად, ესეც შექცევადია. ამასთან, იმისათვის, რომ პროცესი სრულყოფილად იზოთერმული იყოს, მან უნდა შეინარჩუნოს მუდმივი წონასწორობა, რაც იქნებოდა ნიშნავს, რომ ეს უნდა მოხდეს უსასრულოდ ნელა, ადიაბატის მყისიერი მოთხოვნისგან განსხვავებით პროცესი