Termodinamika adalah cabang penting fisika yang mempelajari dan menjelaskan sistem termodinamika dalam kesetimbangan atau arahnya. Untuk dapat menggambarkan transisi dari suatu keadaan awal ke keadaan akhir dengan menggunakan persamaan termodinamika, perlu dilakukan aproksimasi proses kuasi-statis. Apa pendekatan ini, dan apa jenis proses ini, kami akan mempertimbangkan dalam artikel ini.
Apa yang dimaksud dengan proses quasi-statis?
Seperti yang Anda ketahui, termodinamika untuk menggambarkan keadaan sistem menggunakan seperangkat karakteristik makroskopik yang dapat diukur secara eksperimental. Ini termasuk tekanan P, volume V, dan suhu mutlak T. Jika ketiga besaran diketahui untuk sistem yang dipelajari pada saat tertentu, maka dikatakan bahwa keadaannya telah ditentukan.
Konsep proses kuasi-statis menyiratkan transisi antara dua keadaan. Selama transisi ini,Secara alami, karakteristik termodinamika sistem berubah. Jika pada setiap momen waktu selama transisi berlanjut, T, P dan V diketahui untuk sistem, dan tidak jauh dari keadaan setimbangnya, maka kita katakan bahwa terjadi proses kuasi-statis. Dengan kata lain, proses ini merupakan transisi berurutan antara satu set keadaan setimbang. Dia menganggap bahwa pengaruh luar pada sistem tidak signifikan sehingga memiliki waktu untuk cepat mencapai kesetimbangan.
Proses nyata tidak quasi-statis, jadi konsep yang dipertimbangkan akan diidealkan. Misalnya, ketika mengembang atau mengompresi gas, ada perubahan turbulen dan proses gelombang di dalamnya, yang memerlukan beberapa waktu untuk redamannya. Namun demikian, dalam sejumlah kasus praktis, untuk gas yang partikelnya bergerak dengan kecepatan tinggi, kesetimbangan terjadi dengan cepat, sehingga berbagai transisi antara keadaan di dalamnya dapat dianggap quasi-statis dengan akurasi tinggi.
Persamaan keadaan dan jenis proses dalam gas
Gas adalah keadaan agregat materi yang nyaman untuk dipelajari dalam termodinamika. Hal ini disebabkan fakta bahwa untuk deskripsinya ada persamaan sederhana yang menghubungkan ketiga besaran termodinamika di atas. Persamaan ini disebut hukum Clapeyron-Mendeleev. Tampilannya seperti ini:
PV=nRT
Dengan menggunakan persamaan ini, semua jenis isoproses dan transisi adiabatik dangrafik isobar, isoterm, isokore dan adiabat dibangun. Dalam kesetaraan, n adalah jumlah zat dalam sistem, R adalah konstanta untuk semua gas. Di bawah ini kami mempertimbangkan semua jenis proses kuasi-statis yang dicatat.
Transisi isotermal
Ini pertama kali dipelajari pada akhir abad ke-17 menggunakan berbagai gas sebagai contoh. Eksperimen yang sesuai dilakukan oleh Robert Boyle dan Edm Mariotte. Para ilmuwan datang dengan hasil sebagai berikut:
PV=const ketika T=const
Jika Anda meningkatkan tekanan dalam sistem, maka volumenya akan berkurang sebanding dengan peningkatan ini, jika sistem mempertahankan suhu konstan. Sangat mudah untuk menurunkan hukum ini dari persamaan keadaan sendiri.
Isoterm pada grafik adalah hiperbola yang mendekati sumbu P dan V.
Transisi isobarik dan isokhorik
Transisi
Isobarik (pada tekanan konstan) dan isokhorik (pada volume konstan) dalam gas dipelajari pada awal abad ke-19. Jasa besar dalam studi dan penemuan hukum yang relevan adalah milik Jacques Charles dan Gay-Lussac dari Prancis. Kedua proses tersebut secara matematis direpresentasikan sebagai berikut:
V/T=const ketika P=const;
P/T=const ketika V=const
Kedua ekspresi mengikuti persamaan keadaan jika kita menetapkan konstanta parameter yang sesuai.
Kami telah menggabungkan transisi ini di bawah satu paragraf artikel karena mereka memiliki representasi grafis yang sama. Berbeda dengan isoterm, isobar dan isokor adalah garis lurus yangmenunjukkan proporsionalitas langsung antara volume dan suhu dan tekanan dan suhu masing-masing.
proses adiabatik
Ini berbeda dari isoproses yang dijelaskan dalam hal itu berlangsung dalam isolasi termal lengkap dari lingkungan. Sebagai hasil dari transisi adiabatik, gas mengembang atau berkontraksi tanpa pertukaran panas dengan lingkungan. Dalam hal ini, perubahan yang sesuai dalam energi internalnya terjadi, yaitu:
dU=- PdV
Untuk menggambarkan proses kuasi-statis adiabatik, penting untuk mengetahui dua besaran: isobarik CP dan isokhorik CVkapasitas panas. Nilai CP menyatakan berapa banyak panas yang harus diberikan ke sistem sehingga suhunya meningkat sebesar 1 K selama ekspansi isobarik. Nilai CV artinya sama, hanya untuk pemanasan volume konstan.
Persamaan untuk proses ini untuk gas ideal disebut persamaan Poisson. Ditulis dalam parameter P dan V sebagai berikut:
PVγ=const
Di sini parameter disebut eksponen adiabatik. Ini sama dengan rasio CP dan CV. Untuk gas monoatomik=1,67, untuk gas diatomik - 1,4, jika gas tersebut dibentuk oleh molekul yang lebih kompleks, maka=1,33.
Karena proses adiabatik terjadi semata-mata karena sumber energi internalnya sendiri, grafik adiabatik pada sumbu P-V berperilaku lebih tajam daripada grafik isoterm(hiperbola).
