Termodinamik, termodinamik sistemleri dengede veya buna eğilimli olarak inceleyen ve tanımlayan önemli bir fizik dalıdır. Termodinamiğin denklemlerini kullanarak bir başlangıç durumundan son duruma geçişi tanımlayabilmek için, yarı statik bir işlemin yaklaşıklığını yapmak gerekir. Bu yaklaşım nedir ve bu işlemlerin türleri nelerdir, bu makalede ele alacağız.
Yarı statik süreç ne anlama gelir?
Bildiğiniz gibi, termodinamik sistemin durumunu tanımlamak için deneysel olarak ölçülebilen bir dizi makroskopik özellik kullanır. Bunlar, basınç P, hacim V ve mutlak sıcaklık T'yi içerir. Belirli bir anda incelenen sistem için üç niceliğin tümü biliniyorsa, durumunun belirlendiğini söylerler.
Yarı-statik süreç kavramı, iki durum arasında bir geçişi ima eder. Bu geçiş sırasında,Doğal olarak, sistemin termodinamik özellikleri değişir. Geçişin devam ettiği zamanın her anında sistem için T, P ve V biliniyorsa ve sistem denge durumundan çok uzakta değilse, o zaman yarı statik bir sürecin meydana geldiğini söyleriz. Başka bir deyişle, bu süreç bir dizi denge durumu arasında ardışık bir geçiştir. Sistem üzerindeki dış etkinin önemsiz olduğunu, böylece hızla dengeye gelmesi için zamana sahip olduğunu varsayar.
Gerçek süreçler yarı statik değildir, bu nedenle incelenen kavram idealize edilecektir. Örneğin, bir gazı genişletirken veya sıkıştırırken, içinde zayıflaması için biraz zaman gerektiren türbülanslı değişiklikler ve dalga süreçleri vardır. Bununla birlikte, bazı pratik durumlarda, parçacıkların yüksek hızlarda hareket ettiği gazlar için, denge hızla kurulur, bu nedenle içlerindeki durumlar arasındaki çeşitli geçişler, yüksek doğrulukla yarı statik olarak kabul edilebilir.
Gazlarda hal denklemi ve işlem türleri
Gaz, termodinamikteki çalışması için maddenin uygun bir toplam halidir. Bunun nedeni, açıklaması için yukarıdaki termodinamik niceliklerin üçünü de ilişkilendiren basit bir denklemin bulunmasıdır. Bu denklem Clapeyron-Mendeleev yasası olarak adlandırılır. Şuna benziyor:
PV=nRT
Bu denklemi kullanarak, her türlü izoproses ve adyabatik geçiş veizobar, izoterm, izokor ve adiabat grafikleri oluşturulur. Eşitlikte, n sistemdeki madde miktarıdır, R tüm gazlar için bir sabittir. Aşağıda, belirtilen tüm yarı statik süreç türlerini ele alıyoruz.
İzotermal geçiş
Örnek olarak çeşitli gazlar kullanılarak ilk olarak 17. yüzyılın sonunda çalışılmıştır. İlgili deneyler Robert Boyle ve Edm Mariotte tarafından gerçekleştirilmiştir. Bilim adamları şu sonucu buldular:
PV=T=sabit
olduğunda sabit
Sistemdeki basıncı arttırırsanız, sistem sabit bir sıcaklığı korursa hacmi bu artışla orantılı olarak azalacaktır. Bu kanunu hal denkleminden kendiniz çıkarmak kolaydır.
Grafikteki izoterm, P ve V eksenlerine yaklaşan bir hiperboldür.
İzobarik ve izokorik geçişler
Gazlarda izobarik (sabit basınçta) ve izokorik (sabit hacimde) geçişler 19. yüzyılın başlarında incelenmiştir. Çalışmalarında ve ilgili yasaları keşfetmelerinde büyük başarı Fransız Jacques Charles ve Gay-Lussac'a aittir. Her iki süreç de matematiksel olarak şu şekilde temsil edilir:
V/T=const ne zaman P=const;
P/T=const ne zaman V=const
Karşılık gelen parametre sabitini ayarlarsak, her iki ifade de durum denkleminden çıkar.
Bu geçişleri aynı grafik gösterime sahip oldukları için makalenin bir paragrafı altında birleştirdik. İzotermden farklı olarak, izobar ve izokor düz çizgilerdir.sırasıyla hacim ve sıcaklık ve basınç ve sıcaklık arasındaki doğru orantılılığı gösterir.
Adyabatik süreç
Çevreden tam bir termal izolasyon içinde ilerlemesiyle açıklanan izoproseslerden farklıdır. Adyabatik geçişin bir sonucu olarak gaz, çevre ile ısı alışverişi olmaksızın genleşir veya büzülür. Bu durumda, iç enerjisinde karşılık gelen bir değişiklik meydana gelir, yani:
dU=- PdV
Adyabatik yarı statik bir süreci tanımlamak için iki niceliği bilmek önemlidir: izobarik CP ve izokorik CVısı kapasitesi. CP değeri, izobarik genişleme sırasında sıcaklığını 1 K artırmak için sisteme ne kadar ısı verilmesi gerektiğini söyler. CV değeri aynı anlama gelir, yalnızca sabit hacimli ısıtma için.
İdeal bir gaz için bu işlemin denklemine Poisson denklemi denir. P ve V parametrelerinde şu şekilde yazılır:
PVγ=const
Burada γ parametresine adyabatik üs denir. CP ve CV oranına eşittir. Tek atomlu bir gaz için γ=1.67, iki atomlu gaz için - 1.4, eğer gaz daha karmaşık moleküllerden oluşuyorsa, o zaman γ=1.33.
Adyabatik süreç yalnızca kendi iç enerji kaynakları nedeniyle gerçekleştiğinden, P-V eksenlerindeki adyabatik grafik izoterm grafiğinden daha keskin davranır(abartma).
