Thermodynamics ni tawi muhimu la fizikia ambalo huchunguza na kufafanua mifumo ya halijoto katika usawa au kuitunza. Ili kuweza kuelezea mabadiliko kutoka kwa hali fulani ya awali hadi hali ya mwisho kwa kutumia milinganyo ya thermodynamics, ni muhimu kufanya makadirio ya mchakato wa quasi-static. Ukadiriaji huu ni nini, na ni aina gani za michakato hii, tutazingatia katika makala haya.
Ni nini maana ya mchakato wa quasi-static?
Kama unavyojua, thermodynamics kuelezea hali ya mfumo hutumia seti ya sifa kuu zinazoweza kupimwa kwa majaribio. Hizi ni pamoja na shinikizo P, ujazo wa V, na halijoto kamili T. Ikiwa kiasi zote tatu zinajulikana kwa mfumo unaofanyiwa utafiti kwa wakati fulani, basi wanasema kuwa hali yake imebainishwa.
Dhana ya mchakato wa quasi-static inamaanisha mpito kati ya majimbo mawili. Katika kipindi hiki cha mpito,Kwa kawaida, sifa za thermodynamic za mfumo hubadilika. Ikiwa kwa kila wakati wa wakati ambapo mpito unaendelea, T, P na V wanajulikana kwa mfumo, na si mbali na hali yake ya usawa, basi tunasema kwamba mchakato wa quasi-static hutokea. Kwa maneno mengine, mchakato huu ni mpito wa mfululizo kati ya seti ya majimbo ya usawa. Anachukulia kuwa ushawishi wa nje kwenye mfumo sio muhimu ili iwe na wakati wa kuja kwa usawa.
Michakato halisi si tuli, kwa hivyo dhana inayozingatiwa itakuwa bora. Kwa mfano, wakati wa kupanua au kukandamiza gesi, kuna mabadiliko ya msukosuko na michakato ya mawimbi ndani yake, ambayo inahitaji muda wa kupunguzwa kwao. Walakini, katika idadi ya matukio ya vitendo, kwa gesi ambazo chembe husogea kwa kasi ya juu, usawa huwekwa haraka, kwa hivyo mabadiliko mbalimbali kati ya majimbo ndani yake yanaweza kuchukuliwa kuwa tuli kwa usahihi wa juu.
Mlinganyo wa hali na aina za michakato katika gesi
Gesi ni muunganisho rahisi wa hali ya maada kwa utafiti wake katika thermodynamics. Hii ni kutokana na ukweli kwamba kwa maelezo yake kuna equation rahisi ambayo inahusiana na idadi zote tatu za thermodynamic hapo juu. Equation hii inaitwa sheria ya Clapeyron-Mendeleev. Inaonekana hivi:
PV=nRT
Kwa kutumia mlingano huu, kila aina ya isoprocesses na adiabatic transition nagrafu za isobar, isotherm, isochore na adiabat zinajengwa. Kwa usawa, n ni kiasi cha dutu katika mfumo, R ni mara kwa mara kwa gesi zote. Hapa chini tunazingatia aina zote zilizobainishwa za michakato ya quasi-static.
Mpito wa isothermal
Ilichunguzwa kwa mara ya kwanza mwishoni mwa karne ya 17 kwa kutumia gesi mbalimbali kama mfano. Majaribio yanayolingana yalifanywa na Robert Boyle na Edm Mariotte. Wanasayansi walikuja na matokeo yafuatayo:
PV=const wakati T=const
Ukiongeza shinikizo kwenye mfumo, basi sauti yake itapungua kulingana na ongezeko hili, ikiwa mfumo utaendelea na halijoto isiyobadilika. Ni rahisi kupata sheria hii kutoka kwa mlinganyo wa hali wewe mwenyewe.
Isotherm kwenye grafu ni hyperbola inayokaribia shoka za P na V.
Mipito ya Isobaric na isochoric
Isobaric (kwa shinikizo la mara kwa mara) na mabadiliko ya isochoric (kwa kiwango kisichobadilika) katika gesi yalichunguzwa mwanzoni mwa karne ya 19. Sifa kubwa katika utafiti wao na ugunduzi wa sheria husika ni ya Wafaransa Jacques Charles na Gay-Lussac. Michakato yote miwili inawakilishwa kihisabati kama ifuatavyo:
V/T=const wakati P=const;
P/T=const wakati V=const
Semi zote mbili hufuata kutoka kwa mlinganyo wa hali ikiwa tutaweka kigezo sambamba kisichobadilika.
Tumeunganisha mabadiliko haya chini ya aya moja ya makala kwa sababu yana uwakilishi sawa wa picha. Tofauti na isotherm, isobar na isochore ni mistari iliyonyookaonyesha uwiano wa moja kwa moja kati ya kiasi na halijoto na shinikizo na halijoto mtawalia.
Mchakato wa Adiabatic
Inatofautiana na isoprocess zilizofafanuliwa kwa kuwa inaendelea kwa kutengwa kabisa na mazingira. Kama matokeo ya mpito wa adiabatic, gesi hupanua au mikataba bila kubadilishana joto na mazingira. Katika kesi hii, mabadiliko yanayolingana katika nishati yake ya ndani hufanyika, ambayo ni:
dU=- PdV
Ili kuelezea mchakato wa adiabatic quasi-static, ni muhimu kujua idadi mbili: isobariki CP na isochoriki CVuwezo wa joto. Thamani CP hueleza ni kiasi gani cha joto kinachopaswa kuingizwa kwenye mfumo ili kuongeza halijoto yake kwa 1 K wakati wa upanuzi wa isobaric. Thamani CV ina maana sawa, kwa ajili ya kuongeza joto kila mara kwa sauti.
Mlinganyo wa mchakato huu wa gesi bora unaitwa mlinganyo wa Poisson. Imeandikwa katika vigezo P na V kama ifuatavyo:
PVγ=const
Hapa kigezo γ kinaitwa kipeo cha adiabatic. Ni sawa na uwiano wa CP na CV. Kwa gesi ya monatomiki γ=1.67, kwa gesi ya diatomiki - 1.4, ikiwa gesi imeundwa na molekuli ngumu zaidi, basi γ=1.33.
Kwa kuwa mchakato wa adiabatiki hutokea kwa sababu ya rasilimali zake za ndani za nishati, grafu ya adiabatiki katika shoka za P-V hufanya kazi kwa kasi zaidi kuliko grafu ya isotherm.(hyperbole).
