5: Термодинамічні процеси

Last updated
Save as PDF

Page ID: 76558

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Ми розглянемо, що відбувається, коли ми виконуємо певні процеси на різних системах. Процеси зазвичай тягнуть за собою або виконання роботи над системою, або додавання тепла до неї, або, можливо, ми дозволимо системі робити роботу над її оточенням, або система може втратити тепло в навколишнє середовище.

Часто система, яку ми маємо на увазі, буде газом, укладеним рухомим поршнем всередині циліндра, але це не повинно бути таким. Система може бути твердою або рідкою, в якій мало змінюється обсяг. Або система може мати кілька фаз, таких як газ, рідина і тверда речовина. У системі може бути кілька компонентів — наприклад, суміш хімічних речовин. Або система може бути магнітним матеріалом, і ми працюємо над ним, поміщаючи його в магнітне поле і намагнічуючи. Деякі фундаментальні термодинамічні закони застосовуються до будь-якої термодинамічної системи і мають велику спільність. Інші закони можуть застосовуватися лише до певних конкретних типів систем, і ми завжди повинні бути насторожі, щоб визнати, які загальні закони, застосовні до будь-якої системи, а які є спеціальними рівняннями, застосовними лише до певних систем.

Ми будемо, в нашій уяві, здійснювати процеси в різних ідеальних умовах. Таким чином, ми можемо уявити собі процес ізотермічним (здійснюється при постійній температурі) або ізобаричним (постійний тиск) або ізохорним (постійний обсяг). Ми можемо уявити собі процес, в якому тепло не додається або не втрачається від системи. Такий процес адіабатичний.

Процес може бути квазістатичним або неквазістатичним. Уявімо, що у нас є газовий ящик, і ми раптом нагріваємо одну стіну коробки, штовхаючи цю стіну до джерела тепла. Не весь газ відразу стане гаряче. Спочатку газ біля нагрітої стіни почне прогріватися, в той час як газ в дальньому кінці коробки навряд чи буде в курсі того, що сталося. Зрештою, тепло буде проникати по всій коробці, але це може зайняти деякий час, і система зовсім не знаходиться в статичній рівновазі, поки ці зміни відбуваються. Так само, якщо у нас газ утримується всередині циліндра за допомогою рухомого поршня, і ми раптом переміщаємо поршень всередину. Це не призведе до негайної зміни на більш високий тиск по всьому газу. Сама ж інформація про нове положення поршня може подорожувати по газу тільки зі швидкістю звуку. Значна локальна турбулентність, ймовірно, буде викликана, і це буде деякий час, перш ніж газ осяде до свого нового рівномірного тиску протягом усього. Обидва ці процеси є неквазістатичними.

Щоб процес був квазістатичним, тиск і температура системи повинні відрізнятися від показників її оточення лише на нескінченно малу величину в усі часи під час процесу; процес повинен відбуватися повільно, так що система проходить через нескінченну послідовність квазірівноваги держав. Приставка «квазі» часто перекладається як «майже»; більш точне значення - «як би» або «як би». Читач зробить висновок, що ніколи не може бути буквально жодного процесу, який дійсно статичний. Це стосується і інших процесів, таких як ізотермічні та адіабатичні процеси. Такі процеси є обмежуючими теоретичними процесами. Реальний процес може бути проміжним між ідеальними крайнощами, хоча він також може бути досить близьким до однієї з ідеальних крайнощів.