อุณหพลศาสตร์เป็นสาขาสำคัญของฟิสิกส์ที่ศึกษาและอธิบายระบบอุณหพลศาสตร์ในสภาวะสมดุลหรือการดูแล เพื่อให้สามารถอธิบายการเปลี่ยนแปลงจากสถานะเริ่มต้นเป็นสถานะสุดท้ายโดยใช้สมการของอุณหพลศาสตร์ จำเป็นต้องทำการประมาณของกระบวนการกึ่งสถิต การประมาณนี้คืออะไร และประเภทของกระบวนการเหล่านี้คืออะไร เราจะพิจารณาในบทความนี้
กระบวนการกึ่งคงที่หมายความว่าอย่างไร
ดังที่คุณทราบ อุณหพลศาสตร์เพื่ออธิบายสถานะของระบบใช้ชุดของลักษณะพิเศษมหภาคที่สามารถวัดได้ในการทดลอง ซึ่งรวมถึงความดัน P ปริมาตร V และอุณหภูมิสัมบูรณ์ T หากระบบที่อยู่ภายใต้การศึกษาทราบทั้งสามปริมาณในช่วงเวลาที่กำหนด แสดงว่ามีการกำหนดสถานะของระบบแล้ว
แนวคิดของกระบวนการกึ่งคงที่แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงระหว่างสองสถานะ ในช่วงเปลี่ยนผ่านนี้โดยธรรมชาติแล้ว ลักษณะทางอุณหพลศาสตร์ของระบบจะเปลี่ยนไป หากในแต่ละช่วงเวลาที่การเปลี่ยนแปลงยังคงดำเนินต่อไป T, P และ V เป็นที่รู้จักสำหรับระบบ และอยู่ไม่ไกลจากสภาวะสมดุลของมัน แสดงว่ากระบวนการเสมือนเกิดขึ้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง กระบวนการนี้เป็นการเปลี่ยนแปลงตามลำดับระหว่างชุดของสภาวะสมดุล เขาสันนิษฐานว่าอิทธิพลภายนอกที่มีต่อระบบนั้นไม่มีนัยสำคัญ ดังนั้นจึงมีเวลาที่จะเข้าสู่สมดุลได้อย่างรวดเร็ว
กระบวนการจริงไม่ใช่แบบกึ่งคงที่ ดังนั้นแนวคิดที่อยู่ระหว่างการพิจารณาจะเป็นอุดมคติ ตัวอย่างเช่น เมื่อมีการขยายหรือบีบอัดก๊าซ จะมีการเปลี่ยนแปลงและกระบวนการของคลื่นที่ปั่นป่วน ซึ่งต้องใช้เวลาในการลดทอน อย่างไรก็ตาม ในหลายกรณีเชิงปฏิบัติ สำหรับก๊าซที่อนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง ความสมดุลจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงต่างๆ ระหว่างสถานะในก๊าซเหล่านี้จึงถือได้ว่าเป็นกึ่งคงที่ด้วยความแม่นยำสูง
สมการสถานะและประเภทของกระบวนการในก๊าซ
แก๊สเป็นสถานะรวมของสสารที่สะดวกสำหรับการศึกษาทางอุณหพลศาสตร์ เนื่องจากคำอธิบายนี้มีสมการง่ายๆ ที่เกี่ยวข้องกับปริมาณทางอุณหพลศาสตร์ทั้งสามข้างต้น สมการนี้เรียกว่ากฎ Clapeyron-Mendeleev หน้าตาเป็นแบบนี้:
PV=nRT
ใช้สมการนี้ ไอโซโพรเซสทุกชนิดและการเปลี่ยนผ่านแบบอะเดียแบติกและกราฟของ isobar, isotherm, isochore และ adiabat ถูกสร้างขึ้น ในความเท่าเทียมกัน n คือปริมาณของสารในระบบ R คือค่าคงที่สำหรับก๊าซทั้งหมด ด้านล่างนี้ เราจะพิจารณากระบวนการกึ่งคงที่ทุกประเภทที่ระบุไว้
การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิไอโซโทป
มีการศึกษาครั้งแรกเมื่อปลายศตวรรษที่ 17 โดยใช้ก๊าซต่างๆ เป็นตัวอย่าง การทดลองที่เกี่ยวข้องดำเนินการโดย Robert Boyle และ Edm Mariotte นักวิทยาศาสตร์ได้ผลลัพธ์ดังต่อไปนี้:
PV=const เมื่อ T=const
หากคุณเพิ่มแรงดันในระบบ ปริมาตรของมันจะลดลงตามสัดส่วนการเพิ่มขึ้นนี้ หากระบบรักษาอุณหภูมิให้คงที่ มันง่ายที่จะได้กฎนี้จากสมการสถานะของตัวเอง
ไอโซเทอร์มบนกราฟคือไฮเปอร์โบลาที่เข้าใกล้แกน P และ V
การเปลี่ยนภาพแบบไอโซบาริกและไอโซโคริก
Isobaric (ที่ความดันคงที่) และการเปลี่ยนผ่านของ isochoric (ที่ปริมาตรคงที่) ในก๊าซได้รับการศึกษาเมื่อต้นศตวรรษที่ 19 บุญที่ยิ่งใหญ่ในการศึกษาและค้นพบกฎหมายที่เกี่ยวข้องเป็นของ French Jacques Charles และ Gay-Lussac กระบวนการทั้งสองแสดงทางคณิตศาสตร์ดังนี้:
V/T=const เมื่อ P=const;
P/T=const เมื่อ V=const
นิพจน์ทั้งสองจะติดตามจากสมการสถานะหากเราตั้งค่าคงที่พารามิเตอร์ที่สอดคล้องกัน
เราได้รวมช่วงการเปลี่ยนภาพเหล่านี้ไว้ในย่อหน้าหนึ่งของบทความ เนื่องจากมีการแสดงภาพกราฟิกเหมือนกัน ต่างจากไอโซเทอร์ม ไอโซบาร์และไอโซชอร์เป็นเส้นตรงที่แสดงสัดส่วนโดยตรงระหว่างปริมาตรและอุณหภูมิ และความดัน และอุณหภูมิตามลำดับ
กระบวนการอะเดียแบติก
มันแตกต่างจากกระบวนการไอโซโพรเซสที่อธิบายไว้ตรงที่การแยกความร้อนออกจากสิ่งแวดล้อมโดยสมบูรณ์ เป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงแบบอะเดียแบติก ก๊าซจะขยายตัวหรือหดตัวโดยไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม ในกรณีนี้ จะเกิดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในที่สอดคล้องกัน นั่นคือ:
dU=- PdV
ในการอธิบายกระบวนการกึ่งคงที่แบบอะเดียแบติก จำเป็นต้องทราบปริมาณสองปริมาณ: isobaric CP และ isochoric CVความจุความร้อน ค่า CP บอกปริมาณความร้อนที่ต้องส่งไปยังระบบ เพื่อให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 K ระหว่างการขยายตัวของไอโซบาริก ค่า CV หมายถึงค่าเดียวกัน สำหรับการทำความร้อนตามปริมาตรคงที่เท่านั้น
สมการของกระบวนการสำหรับก๊าซในอุดมคตินี้เรียกว่าสมการปัวซอง มันถูกเขียนด้วยพารามิเตอร์ P และ V ดังนี้:
PVγ=const
ที่นี่พารามิเตอร์ γ เรียกว่าเลขชี้กำลังอะเดียแบติก เท่ากับอัตราส่วนของ CP และ CV สำหรับก๊าซโมโนโทมิก γ=1.67 สำหรับก๊าซไดอะตอมมิก - 1.4 ถ้าก๊าซนั้นเกิดจากโมเลกุลที่ซับซ้อนกว่า γ=1.33.
เนื่องจากกระบวนการอะเดียแบติกเกิดขึ้นเพียงเพราะแหล่งพลังงานภายในของมันเอง กราฟอะเดียแบติกในแกน P-V จึงมีพฤติกรรมที่คมชัดกว่ากราฟไอโซเทอร์ม(อติพจน์).
