ترمودینامیک شاخه مهمی از فیزیک است که به مطالعه و توصیف سیستم های ترمودینامیکی در حالت تعادل یا تمایل به آن می پردازد. برای اینکه بتوان با استفاده از معادلات ترمودینامیک انتقال از یک حالت اولیه به حالت نهایی را توصیف کرد، لازم است که یک فرآیند شبه استاتیک را تقریب کنیم. این تقریب چیست و انواع این فرآیندها چیست، در این مقاله بررسی خواهیم کرد.
منظور از فرآیند شبه استاتیک چیست؟
همانطور که می دانید، ترمودینامیک برای توصیف وضعیت سیستم از مجموعه ای از ویژگی های ماکروسکوپی استفاده می کند که می توانند به صورت تجربی اندازه گیری شوند. اینها شامل فشار P، حجم V و دمای مطلق T هستند. اگر هر سه کمیت برای سیستم مورد مطالعه در یک لحظه مشخص شناخته شوند، آنگاه می گویند که وضعیت آن مشخص شده است.
مفهوم یک فرآیند شبه استاتیک بر انتقال بین دو حالت دلالت دارد. در طول این انتقال،به طور طبیعی، ویژگی های ترمودینامیکی سیستم تغییر می کند. اگر در هر لحظه از زمانی که انتقال ادامه می یابد، T، P و V برای سیستم شناخته شوند و از حالت تعادل آن دور نباشد، می گوییم یک فرآیند شبه استاتیک رخ می دهد. به عبارت دیگر، این فرآیند یک انتقال متوالی بین مجموعه ای از حالت های تعادلی است. او فرض می کند که تأثیر خارجی بر سیستم ناچیز است، به طوری که زمان لازم برای رسیدن سریع به تعادل را دارد.
فرایندهای واقعی شبه ایستا نیستند، بنابراین مفهوم مورد بررسی ایده آل می شود. به عنوان مثال، هنگام انبساط یا فشرده سازی یک گاز، تغییرات متلاطم و فرآیندهای موجی در آن رخ می دهد که برای تضعیف آنها نیاز به زمان دارد. با این وجود، در تعدادی از موارد عملی، برای گازهایی که در آنها ذرات با سرعت بالا حرکت می‌کنند، تعادل به سرعت برقرار می‌شود، بنابراین انتقال‌های مختلف بین حالت‌ها در آنها را می‌توان با دقت بالا شبه ساکن در نظر گرفت.
معادله حالت و انواع فرآیندها در گازها
گاز یک حالت تجمعی مناسب از ماده برای مطالعه آن در ترمودینامیک است. این به دلیل این واقعیت است که برای توصیف آن یک معادله ساده وجود دارد که هر سه کمیت ترمودینامیکی فوق را به هم مرتبط می کند. این معادله قانون کلاپیرون- مندلیف نامیده می شود. به نظر می رسد:
PV=nRT
با استفاده از این معادله، انواع ایزوفرایندها و انتقال آدیاباتیک ونمودارهای ایزوبار، ایزوترم، ایزوکور و آدیابات ساخته شده است. در برابری، n مقدار ماده در سیستم است، R برای همه گازها ثابت است. در زیر تمام انواع فرآیندهای شبه استاتیک ذکر شده را در نظر می گیریم.
انتقال همدما
برای اولین بار در پایان قرن هفدهم با استفاده از گازهای مختلف به عنوان نمونه مورد مطالعه قرار گرفت. آزمایشات مربوطه توسط رابرت بویل و ادم ماریوته انجام شد. دانشمندان به نتیجه زیر رسیدند:
PV=const وقتی T=const
اگر فشار را در سیستم افزایش دهید، در صورت حفظ دمای ثابت، حجم آن به نسبت این افزایش کاهش می یابد. به راحتی می توان این قانون را از معادله حالت استخراج کرد.
ایزوترم روی نمودار هذلولی است که به محورهای P و V نزدیک می شود.
انتقال ایزوباریک و ایزوکوریک
انتقال
ایزوباریک (در فشار ثابت) و ایزوکوریک (با حجم ثابت) در گازها در آغاز قرن نوزدهم مورد مطالعه قرار گرفت. شایستگی بزرگ در مطالعه و کشف قوانین مربوطه متعلق به ژاک چارلز فرانسوی و گی لوساک است. هر دو فرآیند به صورت ریاضی به صورت زیر نمایش داده می شوند:
V/T=const وقتی P=const;
P/T=const هنگامی که V=const
هر دو عبارت از معادله حالت می آیند اگر پارامتر مربوطه را ثابت بگذاریم.
ما این انتقال‌ها را در یک پاراگراف مقاله ترکیب کرده‌ایم زیرا نمایش گرافیکی یکسانی دارند. بر خلاف ایزوترم، ایزوبار و ایزوکور خطوط مستقیمی هستند کهتناسب مستقیم بین حجم و دما و فشار و دما را به ترتیب نشان می دهد.
فرایند آدیاباتیک
تفاوت آن با ایزوفرایندهای توصیف شده در این است که در ایزوله حرارتی کامل از محیط کار می کند. در نتیجه انتقال آدیاباتیک، گاز بدون تبادل حرارت با محیط منبسط یا منقبض می شود. در این حالت، یک تغییر متناظر در انرژی درونی آن رخ می دهد، یعنی:
dU=- PdV
برای توصیف یک فرآیند شبه استاتیک آدیاباتیک، دانستن دو کمیت مهم است: ظرفیت گرمایی ایزوباریک CP و ایزوکوریک CV ظرفیت گرمایی. مقدار CP نشان می دهد که چه مقدار گرما باید به سیستم منتقل شود تا دمای آن در طول انبساط ایزوباریک ۱ K افزایش یابد. مقدار CV فقط برای گرمایش با حجم ثابت به همین معنی است.
معادله این فرآیند برای یک گاز ایده آل، معادله پواسون نامیده می شود. در پارامترهای P و V به صورت زیر نوشته می شود:
PVγ=Const
در اینجا پارامتر γ را توان آدیاباتیک می نامند. برابر است با نسبت CP و CV. برای گاز تک اتمی γ=1.67، برای گاز دواتمی - 1.4، اگر گاز توسط مولکول های پیچیده تر تشکیل شده باشد، γ=1.33.
از آنجایی که فرآیند آدیاباتیک صرفاً به دلیل منابع انرژی داخلی خود اتفاق می افتد، نمودار آدیاباتیک در محورهای P-V نسبت به نمودار ایزوترم دقیق تر عمل می کند.(هذلولی).
