22-01-2019 12:51

Процессы изобарный, изохорный, изотермический и адиабатный для идеального газа

Знание определений в физике является ключевым фактором для успешного решения разных физических проблем. В статье рассмотрим, что понимают под процессами изобарным, изохорным, изотермическим и адиабатным для идеальной газовой системы.

Идеальный газ и его уравнение

Прежде чем переходить к описанию изобарного, изохорного и изотермического процессов, рассмотрим, что такое идеальный газ. Под этим определением в физике полагают систему, состоящую из огромного количества безразмерных и невзаимодействующих частиц, которые движутся с большими скоростями во всех направлениях. По сути, речь идет о газовом агрегатном состоянии вещества, в котором расстояния между атомами и молекулами намного превышают их размеры и в котором потенциальной энергией взаимодействия частиц пренебрегают ввиду ее малости, по сравнению с энергией кинетической.

Такие обычные люди, или значение «почему бы и нет»Вам будет интересно:Такие обычные люди, или значение «почему бы и нет»

Идеальный газ

Состоянием идеального газа называется совокупность его термодинамических параметров. Главными из них являются температура, объем и давление. Обозначим их буквами T, V и P, соответственно. В 30-е годы XIX века Клапейрон (французский ученый) впервые записал уравнение, которое объединяет указанные термодинамические параметры в рамках единого равенства. Оно имеет вид:

P*V = n*R*T,

где n и R - вещества количество и газовая константа соответственно.

Что такое изопроцессы в газах?

Как многие заметили, изобарный, изохорный и изотермический процессы в своем названии используют одну и ту же приставку "изо". Она означает равенство одного термодинамического параметра во время прохождения всего процесса, при этом остальные параметры изменяются. Например, изотермический процесс говорит о том, что в его результате абсолютная температура системы поддерживается постоянной, а изохорный процесс свидетельствует о постоянстве объема.

Изопроцессы удобно изучать, поскольку фиксация одного из термодинамических параметров приводит к упрощению общего уравнения состояния газа. Важно отметить, что газовые законы для всех названных изопроцессов были открыты экспериментально. Их анализ позволил Клапейрону получить приведенное универсальное уравнение.

Изобарный, изохорный и изотермический процессы

Первым был открыт закон для изотермического процесса в идеальном газе. Сейчас он называется законом Бойля-Мариотта. Поскольку T не изменяется, то из уравнения состояния следует равенство:

P*V = const.

Иными словами, любое изменение давления в системе приводит к обратно пропорциональному изменению ее объема, если поддерживать постоянной температуру газа. Графиком функции P(V) является гипербола.

Изотермы идеального газа

Изобарный процесс - это такое изменение состояния системы, при котором давление остается постоянным. Зафиксировав величину P в уравнении Клапейрона, получаем следующий закон:

V/T = const.

Это равенство носит фамилию французского физика Жака Шарля, который получил его в конце XVIII века. Изобара (графическое изображение функции V(T)) выглядит как прямая линия. Чем больше давление в системе, тем быстрее возрастает эта линия.

График изохорного процесса

Изобарный процесс легко осуществить, если под поршнем нагревать газ. Молекулы последнего увеличивают свою скорость (кинетическую энергию), создают более высокое давление на поршень, что приводит к расширению газа и поддержанию постоянной величины P.

Наконец, третий изопроцесс - изохорный. Он проходит с постоянным объемом. Из уравнения состояния получаем соответствующее равенство:

P/T = const.

Оно среди физиков известно как закон Гей-Люссака. Прямая пропорциональность между давлением и абсолютной температурой говорит о том, что график изохорного процесса, как и график изобарного, представляет собой прямую линию с положительным коэффициентом наклона.

Важно понимать, что все изопроцессы протекают в закрытых системах, то есть в их ходе величина n сохраняется.

Адиабатный процесс

Этот процесс не относится к категории "изо", поскольку при его прохождении изменяются все три термодинамических параметра. Адиабатным называют переход между двумя состояниями системы, при котором она не обменивается теплотой с окружающей средой. Так, расширение системы осуществляется за счет ее внутренних запасов энергии, что приводит к значительному падению давления и абсолютной температуры в ней.

Адиабатный процесс для идеального газа описывают уравнениями Пуассона. Одно из них приводится ниже:

P*Vγ = const,

где γ - это отношение теплоемкостей при постоянном давлении и при постоянном объеме.

Черная адиобата, цветные изотермы

График адиабаты отличается от графика изохорного процесса и от графика изобарного, однако он похож на гиперболу (изотерму). Адиабата в осях P-V ведет себя более резко, чем изотерма.



Источник