الديناميكا الحرارية هي فرع مهم من فروع الفيزياء التي تدرس وتصف الأنظمة الديناميكية الحرارية في حالة توازن أو تميل إليها. لكي نتمكن من وصف الانتقال من حالة أولية إلى حالة نهائية باستخدام معادلات الديناميكا الحرارية ، من الضروري إجراء تقريب لعملية شبه ثابتة. ما هو هذا التقريب ، وما هي أنواع هذه العمليات ، سننظر في هذه المقالة.
ما المقصود بعملية شبه ثابتة؟
كما تعلم ، تستخدم الديناميكا الحرارية لوصف حالة النظام مجموعة من الخصائص العيانية التي يمكن قياسها تجريبيًا. وتشمل هذه الضغط P والحجم V ودرجة الحرارة المطلقة T. إذا كانت جميع الكميات الثلاثة معروفة للنظام قيد الدراسة في لحظة معينة ، فيقولون أن حالته قد تم تحديدها.
مفهوم العملية شبه الساكنة يعني الانتقال بين دولتين. خلال هذا الانتقال ،بطبيعة الحال ، تتغير الخصائص الديناميكية الحرارية للنظام. إذا كانت T و P و V معروفة بالنظام في كل لحظة زمنية يستمر خلالها الانتقال ، وهي ليست بعيدة عن حالة توازنها ، فإننا نقول إن عملية شبه ثابتة تحدث. بمعنى آخر ، هذه العملية عبارة عن انتقال تسلسلي بين مجموعة من حالات التوازن. إنه يفترض أن التأثير الخارجي على النظام غير مهم بحيث يكون لديه الوقت للتوازن بسرعة.
العمليات الحقيقية ليست شبه ثابتة ، لذا فإن المفهوم قيد الدراسة سيكون مثالياً. على سبيل المثال ، عند تمدد أو ضغط غاز ، هناك تغيرات مضطربة وعمليات موجية ، والتي تتطلب بعض الوقت لتخفيفها. ومع ذلك ، في عدد من الحالات العملية ، بالنسبة للغازات التي تتحرك فيها الجسيمات بسرعات عالية ، يتم ضبط التوازن بسرعة ، لذلك يمكن اعتبار التحولات المختلفة بين الحالات فيها شبه ثابتة بدقة عالية.
معادلة الحالة وأنواع العمليات في الغازات
الغاز هو حالة تجميعية مناسبة للمادة لدراستها في الديناميكا الحرارية. هذا يرجع إلى حقيقة أن هناك معادلة بسيطة لوصفها تربط جميع الكميات الديناميكية الحرارية الثلاثة المذكورة أعلاه. تسمى هذه المعادلة قانون Clapeyron-Mendeleev. يبدو كالتالي:
PV=nRT
باستخدام هذه المعادلة ، جميع أنواع العمليات المتماثلة والانتقال ثابت الحرارة ويتم إنشاء الرسوم البيانية للإيزوبار والأيزوثرم والإيزوكور والأديبات. على قدم المساواة ، n هي كمية المادة في النظام ، R ثابت لجميع الغازات. أدناه نأخذ في الاعتبار جميع الأنواع المذكورة من العمليات شبه الساكنة.
انتقال متساوي الحرارة
تمت دراسته لأول مرة في نهاية القرن السابع عشر باستخدام غازات مختلفة كمثال. تم إجراء التجارب المقابلة بواسطة روبرت بويل وإدم ماريوت. توصل العلماء إلى النتيجة التالية:
PV=const عندما T=const
إذا قمت بزيادة الضغط في النظام ، فإن حجمه سينخفض بما يتناسب مع هذه الزيادة ، إذا حافظ النظام على درجة حرارة ثابتة. من السهل اشتقاق هذا القانون من معادلة الدولة بنفسك.
متساوي الحرارة على الرسم البياني عبارة عن قطع زائد يقترب من محوري P و V.
التحولات متساوي الضغط و متساوي الصدور
تمت دراسة التحولات متساوية الضغط (عند ضغط ثابت) ومتساوية الصدور (عند حجم ثابت) في الغازات في بداية القرن التاسع عشر. يعود الفضل الكبير في دراستهم واكتشافهم للقوانين ذات الصلة إلى الفرنسيين جاك تشارلز وجاي لوساك. يتم تمثيل كلتا العمليتين رياضيا على النحو التالي:
V / T=const عندما P=const ؛
P / T=const عندما V=const
كلا التعبيرين يتبعان معادلة الحالة إذا قمنا بتعيين ثابت المعلمة المقابل.
لقد قمنا بدمج هذه الانتقالات تحت فقرة واحدة من المقالة لأن لديهم نفس التمثيل الرسومي. على عكس متساوي الحرارة ، فإن isobar و isochore عبارة عن خطوط مستقيمةإظهار التناسب المباشر بين الحجم ودرجة الحرارة والضغط ودرجة الحرارة على التوالي.
عملية Adiabatic
يختلف عن العمليات المتماثلة الموصوفة من حيث أنه يستمر في عزل حراري كامل عن البيئة. نتيجة للانتقال ثابت الحرارة ، يتمدد الغاز أو يتقلص بدون تبادل حراري مع البيئة. في هذه الحالة ، يحدث تغيير مقابل في طاقتها الداخلية ، أي:
dU=- PdV
لوصف عملية شبه ثابتة ثابتة الحرارة ، من المهم معرفة كميتين: متساوي الضغط CPو متساوي الضغط CVالسعة الحرارية. تخبر القيمة CPمقدار الحرارة التي يجب نقلها إلى النظام بحيث تزيد درجة حرارته بمقدار 1 كلفن أثناء التمدد متساوي الضغط. تعني القيمة CVنفس الشيء ، فقط لتسخين الحجم الثابت.
معادلة هذه العملية للغاز المثالي تسمى معادلة بواسون. هو مكتوب في المعلمات P و V على النحو التالي:
PVγ=const
هنا المعلمة γ تسمى الأس ثابت الحرارة. إنه يساوي نسبة CPو CV. للغاز أحادي الذرة γ=1.67 ، للغاز ثنائي الذرة - 1.4 ، إذا كان الغاز يتكون من جزيئات أكثر تعقيدًا ، فإن γ=1.33.
نظرًا لأن العملية الحافظة للحرارة تحدث فقط بسبب موارد الطاقة الداخلية الخاصة بها ، فإن الرسم البياني ثابت الحرارة في محاور P-V يتصرف بشكل أكثر حدة من الرسم البياني متساوي الحرارة(غلو).
