Термодинамика и изопроцессы

     Рис.6 График изобарического процесса в координатах p,V 

     Изобарным можно считать расширение газа при  нагревании его в цилиндре с подвижным  поршнем. Постоянство давления в  цилиндре обеспечивается атмосферным  давлением на внешнюю поверхность  поршня. 

     2.4  Изохорический процесс 

     Процесс изменения состояния термодинамической  системы при постоянном объеме называют изохорным. Изохорный процесс, протекающий при неизменном объеме V и условии  m = const и M = const.

     При этих условиях из уравнения состояния  идеального газа (4) вытекает, что в любом состоянии газа с неизменным объемом отношение давления газа к его температуре остается постоянным: 

     Для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объем  не меняется.

     Этот  газовый закон был установлен в 1787г. французским физиком Ж. Шарлем (1746 – 1823) и носит название закон Шарля.

     График  уравнения изохорного процесса называется изохорой. Изохора, изображенная в прямоугольной  системе координат по оси ординат  которой отсчитывается давление газа, а по оси абсцисс – его  абсолютная температура, является прямой, проходящей через начало координат (рис.7). 

     Рис.7 Графическая зависимость изохорического процесса 

     Угол  наклона α изохоры к оси температур тем больше, чем меньше объем газа (V₃ > V₂ > V₁).

     Разные  объемам соответствуют разные изохоры. С ростом объема газа при постоянной температуре давление его согласно закону Бойля – Мариотта падает. Поэтому изохора, соответствующая  большому объему V₂, лежит ниже изохоры, соответствующей объему V₁.

     В системах координат p, V и V, T изохора имеет вид прямой, параллельной оси p или, соответственно, Т (рис.8, рис.9).

     Рис.8 График изохорического процесса в координатах p, V 

     Рис.9 График изохорического процесса в координатах V, T 

     Увеличение  давления газа в любой емкости  или в электрической лампочке при нагревании является изохорным  процессом. Изохорный процесс используется в газовых термометрах постоянного  объема. Также изохорный процесс  можно осуществить при нагревании воздуха при постоянном объеме. 
 

     2.5.Адиабатический процесс 
 

     Кроме изобарного, изохорного и изотермического  процессов, в термодинамике часто  рассматриваются адиабатные процессы.

     Адиабатным  процессом называется процесс, происходящий в термодинамической системе  при отсутствии теплообмена с  окружающими телами, то есть при  условии Q = 0.

     Отсутствие  теплообмена с окружающей средой может быть обеспечено хорошей теплоизоляцией газа. Быстрые процессы расширения или сжатия газа могут быть близкими к адиабатическому и при отсутствии теплоизоляции, если время, за которое  происходит изменение объема газа, значительно меньше времени, необходимого для установления теплового равновесия газа с окружающими телами.

     Примерами адиабатных процессов могут служить  процессы сжатия воздуха в цилиндре воздушного огнива, в цилиндре двигателя  внутреннего сгорания. В соответствии с первым законом термодинамики, при адиабатном сжатии изменение  внутренней энергии газа ΔU равно работе внешних сил А: 

     ΔU = А 

     Так как работа внешних сил при  сжатии положительна, внутренняя энергия  газа при адиабатном сжатии увеличивается, его температура повышается.

     При адиабатном расширении газ совершает  работу А^' за счет уменьшения своей внутренней энергии: 

     ΔU = - А' 

     Поэтому температура газа при адиабатном расширении понижается. Это можно  обнаружить в следующем опыте. Если в бутылку, содержащую насыщенный водяной  пар, накачивать с помощью насоса воздух, то пробка вылетает. Работа А' по выталкиванию пробки совершается воздухом за счет уменьшения его внутренней энергии, так как расширение воздуха  происходит за очень короткое время  и теплообмен с окружающей средой не успевает произойти. Образование  капель тумана доказывает, что при  адиабатном расширении воздуха его  температура понизилась и опустилась ниже точки росы.

     Поскольку при адиабатном сжатии температура  газа повышается, то давление газа с  уменьшением объема растет быстрее, чем при изотермическом процессе. Понижение температуры газа при  адиабатном расширении приводит к тому, что давление газа убывает быстрее, чем при изотермическом расширении.

     График  адиабатного процесса в координатных осях p, V представлен на (рис.10). 

     Рис.10 График адиабатного процесса в координатных  p, V 

     На  этом же рисунке для сравнения  приведен график изотермического процесса.

     Адиабатное  охлаждение газов при их расширении используется в машинах для сжижения газов. Охлаждение газа при адиабатном расширении происходит в грандиозных  масштабах в атмосфере Земли. Нагретый воздух поднимается вверх  и расширяется, так как атмосферное  давление падает с увеличением высоты. Это расширение сопровождается значительным охлаждением. В результате водяные  пары конденсируются и образуют облака. 
 

ЛИТЕРАТУРА  :

1. Базаров И.П.  Термодинамика. - М.: Высшая школа, 1991 г.
2. Гленсдорф П. , Пригожин И.  Термодинамическая теория структуры , устойчивости и флуктуаций. - М.: Мир, 1973 г.
3. Карери Д.  Порядок и беспорядок в структуре материи. - М.: Мир, 1995 г.
4. Курдюшов С.П. , Малинецкий Г.Г.  Синергетика - теория самоорганизации. Идеи , методы перспективы. - М.: Знание, 1983 г.
5. Николис Г. , Пригожин И.  Самоорганизация в неравновесных системах. - М.: Мир, 1979 г.
6. Николис Г. , Пригожин И.  Познание сложного. - М.: Мир, 1990 г.
7. Перовский И.Г.  Лекции по теории дифференциальных уравнений. - М.: МГУ, 1980 г.
8. Попов Д.Е.  Междисциплинарные связи и синергетика. - КГПУ, 1996 г.
9. Пригожин И.  Введение в термодинамику необратимых процессов. - М.: Иностранная литература , 1960 г.
10. Пригожин И.  От существующего к возникающему. - М.: Наука, 1985 г.
11. Синергетика , сборник статей. - М.: Мир, 1984 г.
12. Хакен Г.  Синергетика . - М.: Мир , 1980 г.
13. Хакен Г.  Синергетика . Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах . - М.: Мир , 1985 г.
14. Шелепин Л.А.  В дали от равновесия. - М.: Знание, 1987 г.
15. Эйген М. , Шустер П.  Гиперцикл . Принципы самоорганизации макромолекул . - М.: Мир , 1982 г.
16. Эткинс П.  Порядок и беспорядок в природе. - М.: Мир , 1987 г