თერმოდინამიკა არის ფიზიკის მნიშვნელოვანი ფილიალი, რომელიც სწავლობს და აღწერს თერმოდინამიკურ სისტემებს წონასწორობაში ან მისკენ მიდრეკილებაში. თერმოდინამიკის განტოლებების გამოყენებით ზოგიერთი საწყისი მდგომარეობიდან საბოლოო მდგომარეობაში გადასვლა რომ შევძლოთ აღწეროთ, საჭიროა კვაზისტატიკური პროცესის მიახლოება. რა არის ეს მიახლოება და რა ტიპის პროცესებია, განვიხილავთ ამ სტატიაში.
რა იგულისხმება კვაზი-სტატიკურ პროცესში?
როგორც მოგეხსენებათ, თერმოდინამიკა სისტემის მდგომარეობის აღსაწერად იყენებს მაკროსკოპულ მახასიათებლებს, რომელთა გაზომვა შესაძლებელია ექსპერიმენტულად. მათ შორისაა წნევა P, მოცულობა V და აბსოლუტური ტემპერატურა T. თუ სამივე სიდიდე ცნობილია შესწავლილი სისტემისთვის მოცემულ მომენტში, მაშინ ისინი ამბობენ, რომ მისი მდგომარეობა განისაზღვრა.
კვაზი-სტატიკური პროცესის კონცეფცია გულისხმობს გადასვლას ორ მდგომარეობას შორის. ამ გადასვლის დროს,ბუნებრივია, იცვლება სისტემის თერმოდინამიკური მახასიათებლები. თუ დროის თითოეულ მომენტში, რომლის დროსაც გადასვლა გრძელდება, T, P და V ცნობილია სისტემისთვის და ის არ არის შორს მისი წონასწორობის მდგომარეობიდან, მაშინ ჩვენ ვამბობთ, რომ ხდება კვაზი-სტატიკური პროცესი. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ეს პროცესი არის თანმიმდევრული გადასვლა წონასწორობის მდგომარეობებს შორის. ის ვარაუდობს, რომ სისტემაზე გარეგანი გავლენა უმნიშვნელოა, ამიტომ მას დრო აქვს სწრაფად მივიდეს წონასწორობამდე.
რეალური პროცესები არ არის კვაზი-სტატიკური, ამიტომ განსახილველი კონცეფცია იდეალიზდება. მაგალითად, გაზის გაფართოების ან შეკუმშვისას მასში ხდება ტურბულენტური ცვლილებები და ტალღური პროცესები, რაც მოითხოვს გარკვეულ დროს მათ შესუსტებას. მიუხედავად ამისა, რიგ პრაქტიკულ შემთხვევებში, აირებისთვის, რომლებშიც ნაწილაკები მოძრაობენ მაღალი სიჩქარით, წონასწორობა სწრაფად დგება, ამიტომ მათში არსებული მდგომარეობების სხვადასხვა გადასვლები შეიძლება ჩაითვალოს კვაზი-სტატიკური მაღალი სიზუსტით.
აირებში პროცესების მდგომარეობისა და ტიპების განტოლება
გაზი მატერიის მოსახერხებელი აგრეგატული მდგომარეობაა მისი შესწავლისთვის თერმოდინამიკაში. ეს გამოწვეულია იმით, რომ მისი აღწერისთვის არსებობს მარტივი განტოლება, რომელიც აკავშირებს ზემოთ ჩამოთვლილ სამივე თერმოდინამიკურ სიდიდეს. ამ განტოლებას ეწოდება კლაპეირონ-მენდელეევის კანონი. ასე გამოიყურება:
PV=nRT
ამ განტოლების გამოყენებით, ყველა სახის იზოპროცესი და ადიაბატური გადასვლა დააგებულია იზობარის, იზოთერმის, იზოქორის და ადიაბათის გრაფიკები. თანასწორობაში, n არის ნივთიერების რაოდენობა სისტემაში, R არის მუდმივი ყველა გაზისთვის. ქვემოთ განვიხილავთ კვაზი-სტატიკური პროცესების ყველა აღნიშნულ ტიპს.
იზოთერმული გადასვლა
პირველად შეისწავლეს მე-17 საუკუნის ბოლოს სხვადასხვა გაზების გამოყენებით. შესაბამისი ექსპერიმენტები ჩაატარეს რობერტ ბოილმა და ედმ მარიოტმა. მეცნიერებმა შემდეგი შედეგი გამოიტანეს:
PV=const როდესაც T=const
თუ თქვენ გაზრდით წნევას სისტემაში, მაშინ მისი მოცულობა შემცირდება ამ ზრდის პროპორციულად, თუ სისტემა ინარჩუნებს მუდმივ ტემპერატურას. ადვილია ამ კანონის გამოტანა თავად მდგომარეობის განტოლებიდან.
გრაფიკაზე იზოთერმა არის ჰიპერბოლა, რომელიც უახლოვდება P და V ღერძებს.
იზობარული და იზოქორული გადასვლები
იზობარული (მუდმივი წნევით) და იზოქორული (მუდმივი მოცულობით) გადასვლები გაზებში შეისწავლეს XIX საუკუნის დასაწყისში. მათი შესწავლისა და შესაბამისი კანონების აღმოჩენაში დიდი დამსახურება ეკუთვნის ფრანგ ჟაკ შარლს და გეი-ლუსაკს. ორივე პროცესი მათემატიკურად წარმოდგენილია შემდეგნაირად:
V/T=const როდესაც P=const;
P/T=const როდესაც V=const
ორივე გამონათქვამი გამომდინარეობს მდგომარეობის განტოლებიდან, თუ დავაყენებთ შესაბამის პარამეტრს მუდმივზე.
ჩვენ გავაერთიანეთ ეს გადასვლები სტატიის ერთ აბზაცში, რადგან მათ აქვთ იგივე გრაფიკული წარმოდგენა. იზოთერმისგან განსხვავებით, იზობარი და იზოქორე სწორი ხაზებიააჩვენე პირდაპირი პროპორციულობა მოცულობასა და ტემპერატურასა და წნევასა და ტემპერატურას შორის.
ადიაბატური პროცესი
ის განსხვავდება აღწერილი იზოპროცესებისგან იმით, რომ მიმდინარეობს გარემოსგან სრული თერმული იზოლაციით. ადიაბატური გადასვლის შედეგად გაზი ფართოვდება ან იკუმშება გარემოსთან სითბოს გაცვლის გარეშე. ამ შემთხვევაში ხდება მისი შინაგანი ენერგიის შესაბამისი ცვლილება, ანუ:
dU=- PdV
ადიაბატური კვაზი-სტატიკური პროცესის აღსაწერად მნიშვნელოვანია ვიცოდეთ ორი სიდიდე: იზობარული CP და იზოქორული CVსითბოუნარიანობა. მნიშვნელობა CP გვიჩვენებს, რამდენი სითბო უნდა გადაეცეს სისტემას ისე, რომ ის გაზარდოს ტემპერატურა 1 K-ით იზობარული გაფართოების დროს. მნიშვნელობა CV ნიშნავს იგივეს, მხოლოდ მუდმივი მოცულობის გაცხელებისთვის.
იდეალური აირის ამ პროცესის განტოლებას ეწოდება პუასონის განტოლება. P და V პარამეტრებში იწერება შემდეგნაირად:
PVγ=const
აქ პარამეტრს γ ეწოდება ადიაბატური მაჩვენებლები. ის უდრის CP და CV-ის თანაფარდობას. ერთატომური გაზისთვის γ=1,67, დიატომური გაზისთვის - 1,4, თუ აირი წარმოიქმნება უფრო რთული მოლეკულებით, მაშინ γ=1,33.
რადგან ადიაბატური პროცესი ხდება მხოლოდ საკუთარი შიდა ენერგეტიკული რესურსების გამო, P-V ღერძებში ადიაბატური გრაფიკი უფრო მკვეთრად იქცევა, ვიდრე იზოთერმული გრაფიკი(ჰიპერბოლა).
