Физика изопроцессы. Изопроцессы

Изопроцессы - термодинамические процессы, во время которых количество вещества и ещё одна из физических величин - параметров состояния: давление, объёмили температура - остаются неизменными. Так, неизменному давлению соответствует изобарный процесс, объёму - изохорный, температуре - изотермический,энтропии - изоэнтропийный (например, обратимый адиабатический процесс). Линии, изображающие данные процессы на какой-либо термодинамической диаграмме, называются изобара, изохора, изотерма и адиабата соответственно. Изопроцессы являются частными случаями политропного процесса.

Изобарный процесс

Изобарный процесс (др.-греч. ισος, isos - «одинаковый» + βαρος, baros - «вес») - процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении ()

Зависимость объёма газа от температуры при неизменном давлении была экспериментально исследована в 1802 году Жозефом Луи Гей-Люссаком. Закон Гей-Люссака: При постоянном давлении и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, отношение объёма газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: V/T = const.

Изохорный процесс

Основная статья: Изохорный процесс

Изохорный процесс (от греч. хора - занимаемое место) - процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объёме (). Для идеальных газов изохорический процесс описывается законом Шарля: для данной массы газа при постоянном объёме, давление прямо пропорционально температуре:

Линия, изображающая изохорный процесс на диаграмме, называется изохорой.

Ещё стоит указать что поданная к газу энергия расходуется на изменение внутренней энергии то есть Q = 3* ν*R*T/2=3*V*ΔP, где R - универсальная газовая постоянная, ν количество молей в газе, T температура в Кельвинах, V объём газа, ΔP приращение изменения давления. а линию, изображающая изохорный процесс на диаграмме, в осях Р(Т), стоит продлить и пунктиром соединить с началом координат, так как может возникнуть недопонимание.

Изотермический процесс

Изотермический процесс (от греч. «термос» - тёплый, горячий) - процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре ()(). Изотермический процесс описывается законом Бойля - Мариотта:

При постоянной температуре и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, произведение объёма газа на его давление остаётся постоянным: PV = const.

Графики изопроцессов в различных системах координат

Адиабатический процесс

Адиабатический процесс - это такое изменение состояний газа, при котором он не отдает и не поглощает извне теплоты. Следовательно, адиабатический процесс характеризуется отсутствием теплообмена газа с окружающей средой. Адиабатическими можно считать быстро протекающие процессы. Так как передачи теплоты при адиабатическом процессе не происходит, то и уравнение I начала термодинамики принимает вид

Изобарный процесс является разновидностью изопроцесса, который является термодинамическим. При нем масса вещества и один из его параметров (давление, температура, объем) остаются неизменными. Для изобарного процесса постоянной величиной является давление.

Изобарный процесс и закон Гей-Люссака

В 1802 году благодаря проведению серии экспериментов французский ученый Жозеф Луи Гей-Люссак вывел закономерность, что при постоянном давлении отношение объема газа к температуре самого вещества заданной массы будет величиной константа. Другими словами, объем газа прямо пропорционален его температуре при постоянном давлении. В русской литературе закон Гей-Люссака еще называется законом объемов, а в английской - законом Шарля.

Формула, которую вывел французский физик под изобарный процесс, подходит абсолютно для любого газа, а также для паров жидкостей, когда пройдена

Изобара

Для изображения таких процессов в графическом варианте используется изобара, которая представляет собой прямую линию в двухмерной системе координат. Существуют две оси, одна из которых - объем газа, а вторая обозначает давление. При увеличении одного из показателей (температуры или объема) пропорционально увеличивается и второй показатель, что обеспечивает наличие прямой линии в качестве графика.

Примером изобарного процесса в ежедневной жизни является нагревание воды в чайнике на плите, когда атмосферное давление является неизменным.

Изобара может выходить из точки в начале осей координат.

Работа при изобарном процессе газа

Благодаря тому, что частицы газа находятся в постоянном движении, газ соответственно постоянно оказывает давление на стенку сосуда, в котором он заключен. При увеличении температуры газа движение частиц становится быстрее, а, следовательно, сильнее становится сила, с которой частицы начинают бомбардировать стенки сосуда. Если температура начинает понижаться, в таком случае происходит обратный процесс. Если же одна из стенок сосуда является подвижной, то при соответствующем должном увеличении температуры, - когда на стенку сосуда газа изнутри становится выше, чем сила сопротивления, - стенка начинает двигаться.

В школе детям объясняют это явление на примере нагревания на огне стеклянной колбы, наполненной водой и с закрытой пробкой, когда последняя при повышении температуры вылетает наружу. При этом преподаватель всегда поясняет, что давление атмосферы неизменно.

В механике рассматривается движение тела относительно пространства, а термодинамика изучает движение частей какого-либо тела относительно друг друга, при этом скорость тела останется равной нулю. Когда мы говорим о то, прежде всего, мы имеем ввиду в то время как в механической мы имеем дело с изменением Работа газа при изобарном процессе можно определить формулой, в которой давление умножается на разницу между объемами: начальным и конечным. На бумаге формула будет выглядеть следующим образом: А=рХ(О1-О2), где А - совершаемая работа, р - давление - постоянная величин, когда речь идет про изобарный процесс, О1 - конечный объем, О2 - начальный объем. Следовательно, когда идет сжатие газа, то работа у нас будет отрицательной величиной.

Благодаря открытым Гей-Люссаком в начале 19 века свойствам газов мы можем передвигаться на автомобилях, где в двигатель заложены изобарные принципы работы, наслаждаться прохладой, которую в жаркий день нам дарят современные кондиционеры. Кроме того, изучение изобарических процессов происходит и поныне, что производить работы по усовершенствованию оборудования, используемого в энергетике.

Изобарный процесс (также называемый изобарическим процессом) является одним из термодинамических процессов, которые происходят при постоянном показателе давления. Масса газа системы при этом также остается постоянной. Наглядное представление о графике, демонстрирующем изобарный процесс, дает термодинамическая диаграмма в соответствующей системе координат.

Примеры

Наиболее простым примером изобарического процесса можно назвать нагревание некоторого объема воды в открытом сосуде. В качестве еще одного примера можно привести расширение идеального газа в цилиндрическом объеме, где поршень имеет свободный ход. В каждом из этих случаев давление будет постоянным. Оно равно обыкновенному атмосферному давлению, что вполне очевидно.

Обратимость

Изобарный процесс можно считать обратимым в том случае, если давление в системе совпадает с внешним давлением и равно во все моменты времени процесса (то есть оно постоянно по своему значению), а температура изменяется очень медленно. Таким образом, термодинамическое равновесие в системе сохраняется в каждый момент времени. Именно совокупность вышеперечисленных факторов дает нам возможность считать изобарный процесс обратимым.

Чтобы осуществить в системе изобарический процесс, теплоту к ней нужно или подводить, или отводить. При этом теплота должна расходоваться на работу расширения идеального газа и на изменение его внутренней энергии. Формулу, демонстрирующую зависимость величин друг от друга при изобарном процессе, называют законом Гей-Люссака. Она показывает, что объем пропорционален температуре. Давайте выведем эту формулу на основании поверхностных знаний.

Вывод закона Гей-Люссака (первичное понимание)

Человек, хотя бы немного разбирающийся в молекулярной физике, знает, что многие задачи связаны с определенными параметрами. Имя им - давление газа, объем газа и температура газа. В тех или иных случаях в ход идут молекулярная и молярная масса, количество вещества, универсальная газовая постоянная и другие показатели. И здесь есть определенная связь. Давайте поговорим об универсальной газовой постоянной подробнее. На тот случай, если кто-то не знает, каким образом ее получили.

Получение универсальной газовой постоянной

Эту константу (постоянное число с определенной размерностью) принято также называть постоянной Менделеева. Она присутствует также в уравнении Менделеева-Клапейрона для идеального газа. Как же получил наш знаменитый физик эту константу?

Как мы знаем, уравнение идеального газа имеет следующую форму: PV/T (что озвучивается так: “произведение давления на объем, деленное на температуру”). По отношению к универсальной газовой постоянной применим так называемый закон Авогадро. Он гласит о том, что если мы возьмем любой газ, то одинаковое его количество молей при одинаковой температуре и одинаковом давлении займет одинаковый объем.

По сути дела, это есть словесная формулировка уравнения состояния идеального газа, которое было записано в виде формулы немного ранее. Если мы возьмем нормальные условия (а это когда температура газа равна 273,15 Кельвинов, давление равно 1 атмосфере, соответственно, 101325 Паскалей, а объем моля газа равен 22,4 литра) и подставим их в уравнение, все перемножим и разделим, то получим, что совокупность подобных действий дает нам численный показатель, равный 8,31. Размерность дается в Джоулях, деленных на произведение моля на Кельвин (Дж/моль*К).

Уравнение Менделеева-Клапейрона

Давайте возьмем уравнение состояния идеального газа и перепишем его в новом виде. Изначальное уравнение, напомним, имеет вид PV/T=R. А теперь умножим обе части на температурный показатель. Получим формулу PV(м)=RT. То есть произведение давления на объем равно произведению универсальной газовой постоянной на температуру.

Теперь умножим обе части уравнения на то или иное количество молей. Обозначим их количество буквой, скажем, X. Таким образом, получим следующую формулу: PV(м)X=XRT. Но ведь мы знаем, что произведение V с индексом “м” дает нам в результате просто объем V, а число молей X раскрывается в виде деления частной массы на молярную массу, то есть имеет вид m/M.

Таким образом, конечная формула будет выглядеть следующим образом: PV=MRT/m. Это и есть то самое уравнение Менделеева-Клапейрона, к которому пришли оба физика практически одновременно. Мы можем умножить правую часть уравнения (и в то же время разделить) на число Авогадро. Тогда получим: PV = XN(a)RT/N(a). Но ведь произведение количества молей на число Авогадро, то есть XN(a), дает нам не что иное, как общее число молекул газа, обозначаемое буквой N.

В то же время частное от универсальной газовой постоянной и числа Авогадро - R/N(a) даст постоянную Больцмана (обозначается k). В итоге мы получим еще одну формулу, но уже в несколько другом виде. Вот она: PV=NkT. Можно раскрыть эту формулу и получить следующий результат: NkT/V=P.

Работа газа при изобарном процессе

Как мы выяснили ранее, изобарным процессом называется термодинамический процесс, при котором давление остается величиной постоянной. А чтобы выяснить, как будет определяться работа при изобарном процессе, нам придется обратиться к первому началу термодинамики. Общая формула выглядит следующим образом: dQ = dU + dA, где dQ - это количество теплоты, dU - изменение внутренней энергии, а dA - работа, совершаемая в ходе выполнения термодинамического процесса.

Теперь рассмотрим конкретно изобарный процесс. Примем во внимание тот фактор, что давление остается постоянным. Теперь попытаемся переписать первое начало термодинамики для изобарного процесса: dQ = dU + pdV. Чтобы получить наглядное представление о процессе и работе, нужно изобразить его в системе координат. Ось абсцисс обозначим p, ось ординат V. Пускай объем будет увеличиваться. В двух отличных друг от друга точках с соответствующим значением p (конечно же, фиксированным) отметим состояния, представляющие собой V1 (первоначальный объем) и V2 (конечный объем). В этом случае график будет представлять собой прямую линию, параллельную оси абсцисс.

Найти работы в таком случае проще простого. Это будет просто площадь фигуры, ограниченная с двух сторон проекциями на ось абсцисс, а с третьей стороны - прямой линией, соединяющей точки, лежащие, соответственно, в начале и конце изобарной прямой. Попробуем вычислить значение работы при помощи интеграла.

Он будет вычисляться следующим образом: A = p (интеграл в пределах от V1 до V2) dV. Раскроем интеграл. Получим, что работа будет равна произведению давления на разность объемов. То есть выглядеть формула будет следующим образом: A = p (V2 - V1). Если мы раскроем некоторые величины, то получим еще одну формулу. Она выглядит так: A = xR (T2 - T2), где x - количество вещества.

Универсальная газовая постоянная и ее смысл

Можно сказать, что последнее выражение будет определять физический смысл R - универсальной газовой постоянной. Чтобы было понятнее, давайте обратимся к конкретным числам. Возьмем для проверки один моль какого-либо вещества. В то же время пускай температурная разница будет составлять 1 Кельвин. В этом случае легко заметить, что работа газа будет равна универсальной газовой постоянной (или же наоборот).

Заключение

Этот факт можно подать немного в другом свете, перефразировав формулировку. Например, универсальная газовая постоянная будет численно равна работе, совершаемой при изобарном расширении одним молем идеального газа, если он нагревается на один Кельвин. Вычислить работу при других изопроцессах будет несколько сложнее, но главное - при этом применять логику. Тогда все быстро встанет на свои места, и вывод формулы окажется проще, чем вы думаете.

Изобарным процессом называется процесс, протекающий при неизменном давлении (P = const ) и условии m = const и М = const.

Если в некотором процессе не изменяются масса и давление газа, то уравнение Менделеева-Клапейрона для начального и конечного состояний будет:

P 1 V 1 = RT 1

P 2 V 2 = RT 2

При m = const P = const V / T = const или V 1 / V 2 = T 1 / T 2 (уравнение называется законом Гей-Люссака ).

Таким же способом, как это было сделано для изохорного процесса, можно получить для изобарного процесса уравнение: Р = со nst .

Кривая изобарного процесса называется изобарой.

Изобара, изображенная P – V ), по оси ординат которой отсчитывается давление газа, а по оси абсцисс - его объем, является прямой, параллельной оси абсцисс (рис. 9).

Изобара, изображенная в прямоугольной системе координат (V – T ), является прямой, проходящей через начало координат (рис. 10).

Изобара, изображенная в прямоугольной системе координат (P – T ), является прямой, параллельной оси абсцисс (рис. 11).

Экспериментальное исследование зависимости объема газа от температуры провел в 1802г. французский физик Жозеф Гей-Люссак.

Изобарный процесс происходит, например, при нагревании или охлаждении воздуха в стеклянной колбе, соединенной со стеклянной трубкой, отверстие в которой закрыто небольшим столбом жидкости.

Графики изобарного процесса изображаются так:

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики устанавливает направление протекания самопроизвольных тепловых процессов в природе и определяет условия превращения теплоты в работу. Закон утверждает, что теплота в природе самопроизвольно переходит только от тел более нагретых к менее нагретым.

Идея ВТОРОГО ЗАКОНА термодинамики связана с именем французского инженера Сади КАРНО, который в 1824 г. разработал ЦИКЛ КАРНО – круговой процесс в тепловой машине, в результате которого тело, совершив работу, затем возвращается в исходное состояние, используя часть этой работы. Он впервые показал, что полезную работу можно получить лишь в случае, когда тепло передаётся от нагретого тела к более холодному.

Развивая идею Карно, английский физик У. Томсон в 1851 г. сформулировал второй закон: «В природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, полученная за счет охлаждения теплового резервуара».

Эта формулировка показывает, что взаимное превращение тепла и работы не равноценно: работу можно полностью превратить в тепло (путем трения, нагрева электрическим током и другими способами), а тепло полностью превратить в работу нельзя.

Машину, многократно и полностью превращающую тепло в работу, называют ВЕЧНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ВТОРОГО РОДА.

Второй закон отвергает вечный двигатель второго рода.

Немецкий физик Р.Клаузиус в 1850 году независимо от Томсона сформулировал второй закон: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему» .

Эта формулировка подчеркивает односторонность реальных процессов. Действительно, первый закон термодинамики не запрещает указанный переход тепла (лишь бы выполнялся закон сохранения энергии), однако этого никогда не происходит.

Мы знаем много других примеров односторонности процессов: газы перемешиваются в сосуде, но сами не разделяются; кусок сахара растворяется в воде, но не выделяется обратно в виде куска; можно нагреть проволоку от аккумулятора, но нельзя зарядить аккумулятор от нагретой проволоки и т.д.

В соответствии с этим для превращения теплоты в работу в любом тепловом двигателе необходимо иметь два тела с различными температурами. Более нагретое тело будет источником теплоты для получения работы, менее нагретое - теплоприемником. При этом к.п.д. теплового двигателя всегда будет меньше единицы.

Термический к.п.д. теплового двигателя -  t = 1 – Q 2 / Q 1 , где Q 1 и Q 2 соответственно теплота, подведённая в цикле и отведённая теплоприемнику.

Для идеального цикла теплового двигателя, то есть для прямого обратимого цикла Карно -  t к = 1 – Т 2 / Т 1 = 1 – Т мин / Т макс,

где Т 1 = Т макс - температура горячего источника теплоты;

Т 2 = Т мин - температура холодного источника теплоты или теплоприемника.

Термический к.п.д. любого реального цикла теплового двигателя всегда меньше термического к.п.д. цикла Карно для того же интервала температур.

Клаузиус решил вопрос о направлении самопроизвольных процессов в 1865 году, когда ввел новую функцию - энтропию, установив ее важнейшую особенность: в теплоизолированных системах самопроизвольно процессы идут в сторону увеличения энтропии; в состоянии теплового равновесия энтропия достигает максимума.

Эта функция является мерой беспорядка в системе. Таким образом самопроизвольные процессы идут в сторону увеличения беспорядка.

Что такое изотермический процесс

Определение

Изотермическим процессом называется процесс, происходящий в неизменной массе газа при постоянной температуре.

\ \

Закон Бойля-Мариотта

Разделим уравнение (2) на уравнение (1), получим уравнение изотермического процесса:

\[\frac{p_2V_2}{p_1V_1}=1\ (3)\]

Уравнение (4) называют законом Бойля-Мариотта.

Этот процесс происходит с подводом тепла, если объем увеличивается, или его отводом, чтобы уменьшать объем. Запишем первое начало термодинамики, последовательно получим выражения для работы, внутренней энергии и количества теплоты изотермического процесса:

\[\delta Q=dU+dA=\frac{i}{2}\nu RdT+pdV,\ \left(5\right).\]

Температура не изменяется, следовательно, изменение внутренней энергии равно нулю ($dU=0$). Получается, что в изотермическом процессе все подводимое тепло идет на совершение газом работы:

\[\triangle Q=\int\limits^{V_2}_{V_1}{dA}\left(6\right),\]

где $\delta Q\ $- элементарное тепло, подводимое к системе, $dA$- элементарная работа, которую совершает газ в процессе, i - число степеней свободы молекулы газа, R -- универсальная газовая постоянная, d -количество молей газа, $V_1$- начальный объем газа, $V_2$- конечный объем газа.

Используем уравнение состояния идеального газа, выразим из него давление:

Подставим уравнение (8) в подынтегральное выражение уравнения (7):

Уравнение (9) -- выражение для работы газа в изотермическом процессе. Уравнение (9) можно записать через отношение давлений, если использовать закон Бойля-Мариотта, в таком случае:

\ \[\triangle Q=A\ (11),\]

Уравнение (11) определяет количество теплоты, сообщаемое газу массы m в изотермическом процессе$.

Изопроцессы очень часто изображают на термодинамических диаграммах. Так, линия, изображающая на такой диаграмме изотермический процесс, называется изотермой (рис.1).

Пример 1

Задание: Идеальный одноатомный газ расширяется при постоянной температуре от объема $V_1=0,2\ м^3$ до $V_2=0,6\ м^3$. Давление в состоянии 2 равно $p_2=1\cdot {10}^5\ Па$. Определить:

1. Изменение внутренней энергии газа.
2. Работу, которую совершает газ в этом процессе.
3. Количество теплоты, получаемое газом.

Так как процесс изотермический, то внутренняя энергия газа не изменяется:

\[\triangle U=0.\]

Из первого начала термодинамики, следовательно:

\[\triangle Q=A\ \left(1.1\right).\] \

Запишем уравнение конечного состояния идеального газа:

Подставим выражение для температуры из (1.3) в (1.2), получим:

Так как все величины в данных находятся в СИ, проведем расчет:

Ответ: Изменение внутренней энергии газа в заданном процессе равно нулю. Работа, которую совершает газ в этом процессе $6,6{\cdot 10}^4Дж.$ Количество теплоты, получаемое газом в данном процессе, $6,6{\cdot 10}^4Дж$.

Пример 2

Задание: На рис 2. представлен график изменения состояния идеального газа массы m в осях p(V). Перенесите этот процесс в оси p(T).