دانش تعاریف در فیزیک یک عامل کلیدی برای حل موفقیت آمیز مسائل مختلف فیزیکی است. در این مقاله، منظور از فرآیندهای ایزوباریک، ایزوکوریک، همدما و آدیاباتیک را برای یک سیستم گاز ایده آل در نظر خواهیم گرفت.
گاز ایده آل و معادله آن
قبل از تشریح فرآیندهای ایزوباریک، ایزوکوریک و همدما، بیایید در نظر بگیریم که گاز ایده آل چیست. تحت این تعریف در فیزیک، آنها سیستمی را متشکل از تعداد زیادی ذرات بدون بعد و غیر متقابل در نظر می گیرند که با سرعت بالا در همه جهات حرکت می کنند. در واقع، ما در مورد حالت تجمع گازی ماده صحبت می کنیم که در آن فواصل بین اتم ها و مولکول ها بسیار بیشتر از اندازه آنهاست و در آن انرژی پتانسیل برهمکنش ذرات به دلیل کوچک بودن آن در مقایسه با انرژی جنبشی نادیده گرفته می شود.
وضعیت یک گاز ایده آل مجموع پارامترهای ترمودینامیکی آن است. مهمترین آنها دما، حجم و فشار هستند. بیایید آنها را به ترتیب با حروف T، V و P نشان دهیم. در دهه 30 قرن نوزدهمکلاپیرون (دانشمند فرانسوی) ابتدا معادله ای را نوشت که پارامترهای ترمودینامیکی نشان داده شده را در یک برابری واحد ترکیب می کند. به نظر می رسد:
PV=nRT،
که در آن n و R به ترتیب مقدار مواد و ثابت گاز هستند.
ایزوفرایندها در گازها چیست؟
همانطور که بسیاری متوجه شده اند، فرآیندهای ایزوباریک، ایزوکوریک و ایزوترمال از پیشوند "ایزو" یکسانی در نام خود استفاده می کنند. این به معنای برابری یک پارامتر ترمودینامیکی در طول گذر از کل فرآیند است، در حالی که پارامترهای باقی مانده تغییر می کنند. برای مثال، یک فرآیند همدما نشان می‌دهد که در نتیجه دمای مطلق سیستم ثابت می‌ماند، در حالی که یک فرآیند همدما نشان‌دهنده حجم ثابت است.
ایزوفرایندها برای مطالعه راحت هستند، زیرا ثابت کردن یکی از پارامترهای ترمودینامیکی منجر به ساده‌سازی معادله کلی حالت گاز می‌شود. توجه به این نکته مهم است که قوانین گاز برای همه این فرآیندهای ایزو به صورت تجربی کشف شده است. تجزیه و تحلیل آنها به کلاپیرون اجازه داد تا معادله جهانی کاهش یافته را به دست آورد.
فرایندهای ایزوباریک، ایزوکوریک و همدما
قانون اول برای فرآیند همدما در یک گاز ایده آل کشف شد. اکنون به آن قانون بویل-ماریوت می گویند. از آنجایی که T تغییر نمی کند، معادله حالت بر برابری دلالت دارد:
PV=Const.
به عبارت دیگر، هر گونه تغییر در فشار در سیستم منجر به تغییر نسبت معکوس در حجم آن می شود، اگر دمای گاز ثابت بماند. نمودار تابع P(V) استهذلولی.
فرایند ایزوباریک - این تغییر در وضعیت سیستم است که در آن فشار ثابت می ماند. با ثابت کردن مقدار P در معادله کلاپیرون، قانون زیر را بدست می آوریم:
V/T=Const.
این برابری نام فیزیکدان فرانسوی ژاک شارل را دارد که در پایان قرن هجدهم آن را دریافت کرد. ایزوبار (نمایش گرافیکی تابع V(T) مانند یک خط مستقیم به نظر می رسد. هر چه فشار در سیستم بیشتر باشد، این خط سریعتر بالا می رود.
اگر گاز زیر پیستون گرم شود، فرآیند ایزوباریک آسان است. مولکول‌های دومی سرعت خود را افزایش می‌دهند (انرژی جنبشی)، فشار بیشتری روی پیستون ایجاد می‌کنند که منجر به انبساط گاز و حفظ مقدار ثابت P می‌شود.
در نهایت، سومین فرآیند ایزوکوریک است. با حجم ثابت اجرا می شود. از معادله حالت برابری متناظر را بدست می آوریم:
P/T=Const.
در بین فیزیکدانان به قانون گی-لوساک معروف است. تناسب مستقیم بین فشار و دمای مطلق نشان می‌دهد که نمودار فرآیند ایزوکریک، مانند نمودار ایزوباریک، یک خط مستقیم با شیب مثبت است.
درک این نکته مهم است که همه فرآیندهای ایزو در سیستم های بسته رخ می دهند، یعنی مقدار n در طول دوره آنها حفظ می شود.
فرایند آدیاباتیک
این فرآیند به دسته "iso" تعلق ندارد، زیرا هر سه پارامتر ترمودینامیکی در طول عبور آن تغییر می کنند. آدیاباتیکبه انتقال بین دو حالت سیستم می گویند که در آن سیستم گرما را با محیط مبادله نمی کند. بنابراین، گسترش سیستم به دلیل ذخایر انرژی داخلی آن انجام می شود که منجر به کاهش قابل توجه فشار و دمای مطلق در آن می شود.
فرایند آدیاباتیک برای یک گاز ایده آل با معادلات پواسون توصیف می شود. یکی از آنها در زیر نشان داده شده است:
PVγ=ثابت،
جایی که γ نسبت ظرفیت گرمایی در فشار ثابت و در حجم ثابت است.
گراف آدیاباتیک با نمودار فرآیند ایزوکوریک و گراف ایزوباریک متفاوت است، اما شبیه هذلولی (ایزوترم) است. آدیابات در محورهای P-V تیزتر از ایزوترم رفتار می کند.
