Wakati wa kusoma tabia ya gesi katika fizikia, umakini mkubwa hulipwa kwa isoprocesses, ambayo ni, mabadiliko kama haya kati ya majimbo ya mfumo, wakati ambapo parameta moja ya thermodynamic huhifadhiwa. Hata hivyo, kuna mpito wa gesi kati ya majimbo, ambayo sio isoprocess, lakini ambayo ina jukumu muhimu katika asili na teknolojia. Huu ni mchakato wa adiabatic. Katika makala haya, tutazingatia kwa undani zaidi, tukizingatia kile kipeo cha adiabatic cha gesi ni.
Mchakato wa Adiabatic
Kulingana na ufafanuzi wa halijoto, mchakato wa adiabatiki unaeleweka kama mpito kati ya hali ya awali na ya mwisho ya mfumo, kwa sababu yake hakuna kubadilishana joto kati ya mazingira ya nje na mfumo unaofanyiwa utafiti. Mchakato kama huo unawezekana chini ya masharti mawili yafuatayo:
- miwezo ya joto kati ya mazingira ya nje namfumo uko chini kwa sababu moja au nyingine;
- kasi ya mchakato ni ya juu, kwa hivyo kubadilishana joto hakuna wakati wa kutokea.
Katika uhandisi, mpito wa adiabatic hutumiwa kupasha joto gesi wakati wa mgandamizo wake mkali, na kuipoza wakati wa upanuzi wa haraka. Kwa asili, mpito wa thermodynamic katika swali hujidhihirisha wakati wingi wa hewa hupanda au huanguka chini ya kilima. Kupanda na kushuka kama hivyo husababisha mabadiliko katika kiwango cha umande hewani na kunyesha.
Mlinganyo wa Poisson kwa gesi bora ya adiabatic
Gesi bora ni mfumo ambao chembe husogea bila mpangilio kwa kasi ya juu, haziingiliani na hazina vipimo. Muundo kama huu ni rahisi sana kulingana na maelezo yake ya hisabati.
Kulingana na ufafanuzi wa mchakato wa adiabatic, usemi ufuatao unaweza kuandikwa kwa mujibu wa sheria ya kwanza ya thermodynamics:
dU=-PdV.
Kwa maneno mengine, gesi, kupanuka au kupunguzwa, hufanya kazi PdV kutokana na mabadiliko yanayolingana katika dU yake ya ndani ya nishati.
Katika hali ya gesi bora, tukitumia mlinganyo wa hali (sheria ya Clapeyron-Mendeleev), tunaweza kupata usemi ufuatao:
PVγ=const.
Usawa huu unaitwa mlinganyo wa Poisson. Watu wanaofahamu fizikia ya gesi watagundua kuwa ikiwa thamani ya γ ni sawa na 1, basi equation ya Poisson itaingia kwenye sheria ya Boyle-Mariotte (isothermal).mchakato). Hata hivyo, mabadiliko hayo ya equations haiwezekani, kwani γ kwa aina yoyote ya gesi bora ni kubwa kuliko moja. Kiasi γ (gamma) inaitwa fahirisi ya adiabatic ya gesi bora. Hebu tuangalie kwa karibu maana yake ya kimwili.
Kipeo cha adiabatic ni nini?
Kipeo γ, kinachoonekana katika mlinganyo wa Poisson kwa gesi bora, ni uwiano wa uwezo wa joto katika shinikizo la mara kwa mara hadi thamani sawa, lakini tayari kwa kiasi kisichobadilika. Katika fizikia, uwezo wa joto ni kiasi cha joto ambacho lazima kihamishwe au kuchukuliwa kutoka kwa mfumo fulani ili kubadilisha halijoto yake kwa 1 Kelvin. Tutaashiria uwezo wa joto wa isobariki kwa ishara CP, na uwezo wa joto wa isokororiki kwa ishara CV. Kisha usawa unashikilia kwa γ:
γ=CP/CV.
Kwa kuwa γ huwa kubwa zaidi ya moja kila wakati, inaonyesha ni mara ngapi uwezo wa joto wa isobariki wa mfumo wa gesi uliochunguzwa unazidi sifa sawa ya isokororiki.
Uwezo wa joto wa CP na CV
Ili kubainisha kipeo cha adiabatiki, mtu anapaswa kuwa na ufahamu mzuri wa maana ya kiasi CP na CV. Ili kufanya hivyo, tutafanya majaribio ya mawazo yafuatayo: fikiria kwamba gesi iko katika mfumo wa kufungwa katika chombo kilicho na kuta imara. Ikiwa chombo kinapokanzwa, basi joto lote lililowasilishwa litabadilishwa kuwa nishati ya ndani ya gesi. Katika hali kama hii, usawa utakuwa halali:
dU=CVdT.
ThamaniCVinafafanua kiasi cha joto ambacho lazima kihamishwe kwenye mfumo ili kuupasha joto kwa 1 K.
Sasa tuseme gesi iko kwenye chombo chenye bastola inayosonga. Katika mchakato wa kupokanzwa mfumo kama huo, pistoni itasonga, kuhakikisha kuwa shinikizo la mara kwa mara linadumishwa. Kwa kuwa enthalpy ya mfumo katika kesi hii itakuwa sawa na bidhaa ya uwezo wa joto wa isobaric na mabadiliko ya joto, sheria ya kwanza ya thermodynamics itachukua fomu:
CPdT=CVdT + PdV.
Kutoka hapa inaweza kuonekana kwamba CP>CV, kwa kuwa katika kesi ya mabadiliko ya hali ya isobaric ni muhimu kutumia joto sio tu kuongeza halijoto ya mfumo, na hivyo nishati yake ya ndani, lakini pia kazi inayofanywa na gesi wakati wa upanuzi wake.
Thamani ya γ kwa gesi bora ya monatomiki
Mfumo rahisi zaidi wa gesi ni gesi bora ya monatomiki. Tuseme tuna mole 1 ya gesi kama hiyo. Kumbuka kwamba katika mchakato wa kupokanzwa isobaric ya 1 mol ya gesi na Kelvin 1 tu, inafanya kazi sawa na R. Ishara hii hutumiwa kwa kawaida kuashiria mara kwa mara ya gesi ya ulimwengu wote. Ni sawa na 8, 314 J / (molK). Kwa kutumia usemi wa mwisho katika aya iliyotangulia kwa kesi hii, tunapata usawa ufuatao:
CP=CV+ R.
Kuanzia wapi unaweza kubainisha thamani ya uwezo wa joto wa isochoriki CV:
γ=CP/CV;
CV=R/(γ-1).
Inajulikana kuwa kwa fuko mojagesi ya monatomiki, thamani ya uwezo wa joto wa isochoriki ni:
CV=3/2R.
Kutoka kwa usawa mbili za mwisho hufuata thamani ya kipeo cha adiabatic:
3/2R=R/(γ-1)=>
γ=5/3 ≈ 1, 67.
Kumbuka kwamba thamani ya γ inategemea pekee sifa za ndani za gesi yenyewe (juu ya asili ya polyatomic ya molekuli zake) na haitegemei kiasi cha dutu katika mfumo.
Utegemezi wa γ kwa idadi ya digrii za uhuru
Mlinganyo wa uwezo wa joto wa isochoriki wa gesi ya monatomiki uliandikwa hapo juu. Mgawo wa 3/2 ulioonekana ndani yake unahusiana na idadi ya digrii za uhuru katika atomi moja. Ina uwezo wa kusogea tu katika mwelekeo mmoja wapo kati ya pande tatu za nafasi, yaani, kuna viwango vya uhuru vya kutafsiri tu.
Ikiwa mfumo umeundwa na molekuli za diatomiki, basi digrii mbili za mzunguko huongezwa kwa zile tatu za utafsiri. Kwa hivyo, usemi wa CV huwa:
CV=5/2R.
Kisha thamani ya γ itakuwa:
γ=7/5=1, 4.
Kumbuka kwamba molekuli ya diatomiki kwa kweli ina kiwango kimoja zaidi cha uhuru wa mtetemo, lakini kwa halijoto ya mia kadhaa ya Kelvin haijaamilishwa na haichangii kiasi cha joto.
Ikiwa molekuli za gesi zinajumuisha zaidi ya atomi mbili, basi zitakuwa na uhuru wa digrii 6. Kipeo kikuu cha adiabatic katika kesi hii kitakuwa sawa na:
γ=4/3 ≈ 1, 33.
Kwa hiyoKwa hivyo, kadiri idadi ya atomi katika molekuli ya gesi inavyoongezeka, thamani ya γ hupungua. Ukitengeneza grafu ya adiabatic katika shoka za P-V, utaona kwamba mkondo wa gesi ya monatomiki utafanya kazi kwa kasi zaidi kuliko ile ya polyatomic.
Kipeo cha adiabatic cha mchanganyiko wa gesi
Tumeonyesha hapo juu kwamba thamani ya γ haitegemei muundo wa kemikali wa mfumo wa gesi. Hata hivyo, inategemea idadi ya atomi zinazounda molekuli zake. Wacha tufikirie kuwa mfumo una vifaa vya N. Sehemu ya atomiki ya kijenzi i kwenye mchanganyiko nii. Kisha, ili kubaini kipeo cha adiabatic cha mchanganyiko, unaweza kutumia usemi ufuatao:
γ=∑i=1N(aiγ mimi).
Ambapo γi ni thamani ya γ ya kijenzi cha i-th.
Kwa mfano, usemi huu unaweza kutumika kubainisha γ ya hewa. Kwa kuwa ina 99% ya molekuli za diatomiki za oksijeni na nitrojeni, faharisi yake ya adiabatic inapaswa kuwa karibu sana na thamani ya 1.4, ambayo inathibitishwa na uamuzi wa majaribio wa thamani hii.
