La termodinàmica és una branca important de la física que estudia i descriu sistemes termodinàmics en equilibri o que hi tenen tendència. Per poder descriure la transició d'algun estat inicial a un estat final utilitzant les equacions de la termodinàmica, cal fer una aproximació d'un procés quasi estàtic. Què és aquesta aproximació, i quins tipus d'aquests processos, tindrem en compte en aquest article.
Què s'entén per procés quasi estàtic?
Com ja sabeu, la termodinàmica per descriure l'estat del sistema utilitza un conjunt de característiques macroscòpiques que es poden mesurar experimentalment. Aquests inclouen la pressió P, el volum V i la temperatura absoluta T. Si es coneixen les tres magnituds per al sistema en estudi en un moment donat, aleshores diuen que s'ha determinat el seu estat.
El concepte de procés quasi estàtic implica una transició entre dos estats. Durant aquesta transició,Naturalment, les característiques termodinàmiques del sistema canvien. Si en cada moment de temps durant el qual continua la transició, es coneixen T, P i V per al sistema, i no està lluny del seu estat d'equilibri, aleshores diem que es produeix un procés quasi estàtic. En altres paraules, aquest procés és una transició seqüencial entre un conjunt d'estats d'equilibri. Assumeix que la influència externa sobre el sistema és insignificant, de manera que té temps d'arribar ràpidament a l'equilibri.
Els processos reals no són quasi-estàtics, de manera que el concepte considerat s'idealitzarà. Per exemple, quan s'expandeix o comprimeix un gas, hi ha canvis turbulents i processos ondulatoris, que requereixen un cert temps per a la seva atenuació. No obstant això, en una sèrie de casos pràctics, per als gasos en què les partícules es mouen a gran velocitat, l'equilibri s'estableix ràpidament, de manera que diverses transicions entre estats en elles es poden considerar quasi estàtiques amb una gran precisió.
Equació d'estat i tipus de processos en gasos
El gas és un estat agregat convenient de la matèria per al seu estudi en termodinàmica. Això es deu al fet que per a la seva descripció hi ha una equació simple que relaciona les tres magnituds termodinàmiques anteriors. Aquesta equació s'anomena llei de Clapeyron-Mendeleiev. Sembla així:
PV=nRT
Utilitzant aquesta equació, tot tipus d'isoprocessos i transició adiabàtica ies construeixen gràfics de la isòbara, isoterma, isòcore i adiabat. En igu altat, n és la quantitat de substància del sistema, R és una constant per a tots els gasos. A continuació considerem tots els tipus de processos quasi estàtics indicats.
Transició isotèrmica
Es va estudiar per primera vegada a finals del segle XVII utilitzant diversos gasos com a exemple. Els experiments corresponents van ser realitzats per Robert Boyle i Edm Mariotte. Els científics van obtenir el resultat següent:
PV=constant quan T=const
Si augmenta la pressió al sistema, el seu volum disminuirà proporcionalment a aquest augment, si el sistema manté una temperatura constant. És fàcil derivar aquesta llei de l'equació d'estat tu mateix.
La isoterma del gràfic és una hipèrbola que s'aproxima als eixos P i V.
Transicions isobàriques i isòcòriques
Les transicions isobàriques (a pressió constant) i isocòriques (a volum constant) dels gasos es van estudiar a principis del segle XIX. Gran mèrit en el seu estudi i descobriment de les lleis pertinents pertany als francesos Jacques Charles i Gay-Lussac. Tots dos processos es representen matemàticament de la següent manera:
V/T=constant quan P=constant;
P/T=constant quan V=const
Les dues expressions es dedueixen de l'equació d'estat si establim la constant del paràmetre corresponent.
Hem combinat aquestes transicions en un paràgraf de l'article perquè tenen la mateixa representació gràfica. A diferència de la isoterma, la isòbara i l'isòcore són rectes quemostra la proporcionalitat directa entre el volum i la temperatura i la pressió i la temperatura respectivament.
Procés adiabàtic
Difereix dels isoprocessos descrits en el fet que es desenvolupa en un aïllament tèrmic complet del medi ambient. Com a resultat de la transició adiabàtica, el gas s'expandeix o es contrau sense intercanvi de calor amb l'entorn. En aquest cas, es produeix un canvi corresponent en la seva energia interna, és a dir:
dU=- PdV
Per descriure un procés quasi-estàtic adiabàtic, és important conèixer dues magnituds: CP i C isòcòricVcapacitat de calor. El valor CP indica quanta calor s'ha d'impartir al sistema perquè augmenti la seva temperatura 1 K durant l'expansió isobàrica. El valor CV significa el mateix, només per a la calefacció de volum constant.
L'equació d'aquest procés per a un gas ideal s'anomena equació de Poisson. S'escriu als paràmetres P i V de la següent manera:
PVγ=const
Aquí el paràmetre γ s'anomena exponent adiabàtic. És igual a la proporció de CP i CV. Per a un gas monoatòmic γ=1,67, per a un gas diatòmic - 1,4, si el gas està format per molècules més complexes, aleshores γ=1,33.
Com que el procés adiabàtic es produeix únicament pels seus propis recursos energètics interns, el gràfic adiabàtic dels eixos P-V es comporta de manera més nítida que el gràfic d'isotermes(hipèrbole).
