Nhiệt động lực học là một nhánh quan trọng của vật lý học nghiên cứu và mô tả các hệ thống nhiệt động lực học ở trạng thái cân bằng hoặc có xu hướng với nó. Để có thể mô tả sự chuyển đổi từ một số trạng thái ban đầu sang trạng thái cuối cùng bằng cách sử dụng các phương trình nhiệt động lực học, cần phải thực hiện một quá trình gần như tĩnh. Sự xấp xỉ này là gì và các loại quy trình này là gì, chúng ta sẽ xem xét trong bài viết này.
Quy trình gần như tĩnh nghĩa là gì?
Như bạn đã biết, nhiệt động lực học để mô tả trạng thái của hệ thống sử dụng một tập hợp các đặc tính vĩ mô có thể đo được bằng thực nghiệm. Chúng bao gồm áp suất P, thể tích V và nhiệt độ tuyệt đối T. Nếu cả ba đại lượng được biết đến đối với hệ đang nghiên cứu tại một thời điểm nhất định, thì chúng nói rằng trạng thái của nó đã được xác định.
Khái niệm về quá trình bán tĩnh ngụ ý sự chuyển đổi giữa hai trạng thái. Trong quá trình chuyển đổi này,Đương nhiên, các đặc tính nhiệt động của hệ thống thay đổi. Nếu tại mỗi thời điểm mà quá trình chuyển tiếp tiếp tục, hệ thống đã biết T, P và V và nó không nằm xa trạng thái cân bằng của nó, thì chúng ta nói rằng một quá trình gần như tĩnh xảy ra. Nói cách khác, quá trình này là sự chuyển đổi tuần tự giữa một tập hợp các trạng thái cân bằng. Ông giả định rằng tác động bên ngoài lên hệ thống là không đáng kể để nó có thời gian nhanh chóng đi đến trạng thái cân bằng.
Quy trình thực không phải là bán tĩnh, vì vậy khái niệm đang được xem xét sẽ được lý tưởng hóa. Ví dụ, khi giãn nở hoặc nén một chất khí, có những thay đổi hỗn loạn và các quá trình sóng trong nó, đòi hỏi một thời gian cho sự suy giảm của chúng. Tuy nhiên, trong một số trường hợp thực tế, đối với chất khí trong đó các hạt chuyển động ở tốc độ cao, cân bằng thiết lập nhanh chóng, vì vậy các chuyển đổi khác nhau giữa các trạng thái trong chúng có thể được coi là gần như tĩnh với độ chính xác cao.
Phương trình trạng thái và các dạng quá trình trong chất khí
Khí là trạng thái tổng hợp của vật chất thuận tiện cho việc nghiên cứu nhiệt động lực học. Điều này là do thực tế là đối với mô tả của nó, có một phương trình đơn giản liên hệ cả ba đại lượng nhiệt động lực học ở trên. Phương trình này được gọi là định luật Clapeyron-Mendeleev. Nó trông như thế này:
PV=nRT
Sử dụng phương trình này, tất cả các loại quy trình đẳng cấp và chuyển tiếp đoạn nhiệt vàđồ thị của đường đẳng áp, đường đẳng nhiệt, đường đẳng áp và đường đẳng áp được xây dựng. Theo đẳng thức, n là lượng chất trong hệ, R là hằng số đối với mọi chất khí. Dưới đây, chúng tôi xem xét tất cả các loại quy trình gần như tĩnh được lưu ý.
Chuyển tiếp đẳng nhiệt
Nó được nghiên cứu lần đầu tiên vào cuối thế kỷ 17 bằng cách sử dụng nhiều loại khí khác nhau làm ví dụ. Các thí nghiệm tương ứng được thực hiện bởi Robert Boyle và Edm Mariotte. Các nhà khoa học đã đưa ra kết quả sau:
PV=const khi T=const
Nếu bạn tăng áp suất trong hệ thống, thì thể tích của nó sẽ giảm tương ứng với mức tăng này, nếu hệ thống duy trì nhiệt độ không đổi. Có thể dễ dàng suy ra định luật này từ phương trình trạng thái.
Đường đẳng nhiệt trên biểu đồ là một hyperbol tiếp cận các trục P và V.
Chuyển đổi đẳng lập và đẳng áp
Sự chuyển đổi đẳng áp (ở áp suất không đổi) và đẳng tích (ở thể tích không đổi) trong chất khí đã được nghiên cứu vào đầu thế kỷ 19. Công lao to lớn trong việc nghiên cứu và khám phá các luật liên quan thuộc về Jacques Charles và Gay-Lussac người Pháp. Cả hai quá trình đều được biểu diễn bằng toán học như sau:
V / T=const khi P=const;
P / T=const khi V=const
Cả hai biểu thức đều tuân theo phương trình trạng thái nếu chúng ta đặt hằng số tham số tương ứng.
Chúng tôi đã kết hợp các chuyển đổi này dưới một đoạn của bài viết vì chúng có cùng một cách biểu diễn đồ họa. Không giống như đường đẳng nhiệt, đường đẳng nhiệt và đường đẳng áp là những đường thẳng màhiển thị tỷ lệ thuận giữa thể tích và nhiệt độ và áp suất và nhiệt độ tương ứng.
Quy trình Adiabatic
Nó khác với các quá trình isoprocesses được mô tả ở chỗ nó tiến hành trong hoàn toàn cách ly nhiệt với môi trường. Kết quả của quá trình đoạn nhiệt là chất khí nở ra hoặc co lại mà không có sự trao đổi nhiệt với môi trường. Trong trường hợp này, một sự thay đổi tương ứng trong nội năng của nó xảy ra, đó là:
dU=- PdV
Để mô tả một quá trình bán tĩnh đoạn nhiệt, điều quan trọng là phải biết hai đại lượng: đẳng tích CPvà đẳng nhiệt CV. Giá trị CPcho biết hệ phải truyền bao nhiêu nhiệt để hệ tăng nhiệt độ lên 1 K trong quá trình giãn nở đẳng tích. Giá trị CVcó nghĩa giống nhau, chỉ áp dụng cho hệ thống sưởi ở thể tích không đổi.
Phương trình của quá trình này đối với khí lý tưởng được gọi là phương trình Poisson. Nó được viết trong các tham số P và V như sau:
PVγ=const
Ở đây tham số γ được gọi là số mũ đoạn nhiệt. Nó bằng tỷ số của CPvà CV. Đối với khí đơn nguyên γ=1,67, đối với khí nguyên tử - 1,4, nếu khí được tạo bởi các phân tử phức tạp hơn thì γ=1,33.
Vì quá trình đoạn nhiệt chỉ xảy ra do nội năng của chính nó, nên đồ thị đoạn nhiệt trong các trục P-V hoạt động mạnh hơn đồ thị đẳng nhiệt(cường điệu).
