במאמר זה נשקול תהליכים תרמודינמיים. בואו להכיר את הזנים והמאפיינים האיכותיים שלהם, וגם ללמוד את התופעה של תהליכים מעגליים בעלי אותם פרמטרים בנקודות ההתחלתיות והאחרונות.
מבוא
תהליכים תרמודינמיים הם תופעות שבהן חל שינוי מקרוסקופי בתרמודינמיקה של המערכת כולה. נוכחות של הבדל בין המצב ההתחלתי והסופי נקרא תהליך אלמנטרי, אך יש צורך שההבדל הזה יהיה קטן לאין שיעור. אזור המרחב שבתוכו מתרחשת תופעה זו נקרא הגוף העובד.
בהתבסס על סוג היציבות, ניתן להבחין בין שיווי משקל ללא שיווי משקל. מנגנון שיווי המשקל הוא תהליך שבו כל סוגי המצבים שדרכם זורמת המערכת קשורים למצב שיווי המשקל. היישום של תהליכים כאלה מתרחש כאשר השינוי מתקדם לאט למדי, או, במילים אחרות, התופעה היא בעלת אופי מעין סטטי.
תופעותניתן לחלק את הסוג התרמי לתהליכים תרמודינמיים הפיכים ובלתי הפיכים. מנגנונים הפיכים הם אלה שבהם מתממשת האפשרות לבצע את התהליך בכיוון ההפוך, תוך שימוש באותם מצבי ביניים.
העברת חום אדיאבטית
הדרך האדיאבטית להעברת חום היא תהליך תרמודינמי המתרחש בקנה מידה של המאקרוקוסמוס. מאפיין נוסף הוא היעדר חילופי חום עם החלל מסביב.
מחקר בקנה מידה גדול על תהליך זה מתחיל בתחילת המאה השמונה-עשרה.
סוגים אדיאבטיים של תהליכים הם מקרה מיוחד של הצורה הפוליטרופית. זאת בשל העובדה שבצורה זו קיבולת החום של הגז היא אפס, מה שאומר שזהו ערך קבוע. אפשר להפוך תהליך כזה רק אם יש נקודת שיווי משקל של כל רגעי הזמן. שינויים במדד האנטרופיה אינם נצפים במקרה זה או ממשיכים לאט מדי. ישנם מספר מחברים שמזהים תהליכים אדיאבטיים רק בתהליכים הפיכים.
תהליך תרמודינמי של גז מסוג אידיאלי בצורה של תופעה אדיאבטית מתאר את משוואת פואסון.
מערכת איזוכורית
המנגנון האיזוכורי הוא תהליך תרמודינמי המבוסס על נפח קבוע. ניתן לראות אותו בגזים או נוזלים שחוממו מספיק בכלי בעל נפח קבוע.
תהליך תרמודינמי של גז אידיאלי בצורה איזוכורית, מאפשר מולקולותלשמור על פרופורציות ביחס לטמפרטורה. זה נובע מחוק צ'ארלס. לגבי גזים אמיתיים, הדוגמה הזו של המדע אינה חלה.
מערכת איזובר
המערכת האיזוברית מוצגת כתהליך תרמודינמי המתרחש בנוכחות לחץ קבוע בחוץ. זרימת I. P בקצב איטי מספיק, המאפשר ללחץ בתוך המערכת להיחשב קבוע ומתאים ללחץ החיצוני, יכול להיחשב הפיך. כמו כן, תופעות כאלה כוללות את המקרה בו השינוי בתהליך הנ ל מתנהל בקצב נמוך, המאפשר לשקול את הקבוע בלחץ.
ביצוע I.p. אפשרי במערכת שמסופקת (או מוסרת) ל-Heat dQ. לשם כך, יש צורך להרחיב את העבודה Pdv ולשנות את סוג האנרגיה הפנימי dU, T.
e.dQ,=Pdv+dU=TdS
שינויים ברמת האנטרופיה – dS, T – ערך מוחלט של הטמפרטורה.
תהליכים תרמודינמיים של גזים אידיאליים במערכת האיזוברית קובעים את המידתיות של נפח עם הטמפרטורה. גזים אמיתיים ישתמשו בכמות מסוימת של חום כדי לבצע שינויים בסוג האנרגיה הממוצע. העבודה של תופעה כזו שווה למכפלה של לחץ חיצוני ושינויים בנפח.
תופעה איזותרמית
אחד התהליכים התרמודינמיים העיקריים הוא הצורה האיזוטרמית שלו. זה מתרחש במערכות פיזיקליות, עם טמפרטורה קבועה.
כדי לממש את התופעה הזוהמערכת, ככלל, מועברת לתרמוסטט, עם מוליכות תרמית עצומה. החלפת החום ההדדית ממשיכה בקצב מספיק כדי לעקוף את קצב התהליך עצמו. כמעט ולא ניתן להבחין בין רמת הטמפרטורה של המערכת לבין קריאות התרמוסטט.
אפשר גם לבצע תהליך בעל אופי איזותרמי באמצעות גופי קירור ו(או) מקורות, שליטה בקביעות הטמפרטורה באמצעות מדי חום. אחת הדוגמאות הנפוצות ביותר לתופעה זו היא הרתחה של נוזלים בלחץ מתמיד.
תופעה איזנטרופית
הצורה האיזנטרופית של תהליכים תרמיים ממשיכה בתנאים של אנטרופיה קבועה. ניתן להשיג מנגנונים בעלי אופי תרמי באמצעות משוואת קלאוזיוס לתהליכים הפיכים.
רק תהליכים אדיאבטיים הפיכים יכולים להיקרא איזנטרופיים. אי השוויון של קלאוזיוס קובע שלא ניתן לכלול כאן סוגים בלתי הפיכים של תופעות תרמיות. עם זאת, ניתן להבחין בקביעות האנטרופיה גם בתופעה תרמית בלתי הפיכה, אם העבודה בתהליך התרמודינמי על האנטרופיה נעשית בצורה כזו שהיא מוסרת מיד. בהסתכלות על דיאגרמות תרמודינמיות, קווים המייצגים תהליכים איזנטרופים יכולים להיקרא אדיאבטים או איזנטרופים. לעתים קרובות יותר הם פונים לשם הפרטי, שנגרם על ידי חוסר היכולת לתאר נכון את הקווים בתרשים המאפיינים את התהליך בעל אופי בלתי הפיך. להסבר ולניצול נוסף של תהליכים איזנטרופיים יש חשיבות רבה.ערך, כפי שהוא משמש לעתים קרובות בהשגת מטרות, ידע מעשי ותיאורטי.
סוג תהליך איזנטלפיה
תהליך איזנטלפיה הוא תופעה תרמית הנצפית בנוכחות אנטלפיה קבועה. חישובי המחוון שלו נעשים הודות לנוסחה: dH=dU + d(pV).
אנטלפיה היא פרמטר שניתן להשתמש בו כדי לאפיין מערכת שבה שינויים לא נצפים עם החזרה למצב ההפוך של המערכת עצמה ובהתאם, הם שווים לאפס.
תופעת האיזנטלפיה של העברת חום יכולה, למשל, להתבטא בתהליך התרמודינמי של גזים. כאשר מולקולות, למשל, אתאן או בוטאן, "נלחצות" דרך מחיצה בעלת מבנה נקבובי, ולא נצפה חילופי חום בין הגז לחום מסביב. ניתן להבחין בכך באפקט ג'ול-תומסון המשמש בתהליך השגת טמפרטורות נמוכות במיוחד. תהליכי איזנטלפיה הם בעלי ערך מכיוון שהם מאפשרים להוריד את הטמפרטורה בתוך הסביבה מבלי לבזבז אנרגיה.
צורה פוליטרופית
מאפיין של תהליך פוליטרופי הוא יכולתו לשנות את הפרמטרים הפיזיקליים של המערכת, אך להשאיר את מדד קיבולת החום (C) קבוע. דיאגרמות המציגות תהליכים תרמודינמיים בצורה זו נקראים פוליטרופיים. אחת הדוגמאות הפשוטות ביותר להפיכות משתקפת בגזים אידיאליים ונקבעת באמצעות המשוואה: pV =const. P - מחווני לחץ, V - ערך נפחי של גז.
צלצול תהליך
מערכות ותהליכים תרמודינמיים יכולים ליצור מחזורים בעלי צורה מעגלית. תמיד יש להם אינדיקטורים זהים בפרמטרים הראשוניים והסופיים שמעריכים את מצב הגוף. מאפיינים איכותיים כאלה כוללים ניטור לחץ, אנטרופיה, טמפרטורה ונפח.
המחזור התרמודינמי מוצא את עצמו בביטוי של מודל של תהליך המתרחש במנגנונים תרמיים אמיתיים הממירים חום לעבודה מכנית.
גוף העבודה הוא חלק מהרכיבים של כל מכונה כזו.
תהליך תרמודינמי הפיך מוצג כמחזור, שיש לו נתיבים גם קדימה וגם אחורה. מיקומו נמצא במערכת סגורה. מקדם האנטרופיה הכולל של המערכת אינו משתנה עם החזרה של כל מחזור. עבור מנגנון שבו העברת חום מתרחשת רק בין מכשיר חימום או קירור לנוזל עבודה, הפיכות אפשרית רק עם מחזור קרנו.
ישנן מספר תופעות מחזוריות נוספות שניתן להפוך אותן רק כאשר מגיעים להכנסת מאגר נוסף של חום. מקורות כאלה נקראים מחדשים.
ניתוח של התהליכים התרמודינמיים שבמהלכם מתרחשת התחדשות מראה לנו שכולם נפוצים במחזור רויטלינגר. הוכח על ידי מספר חישובים וניסויים שלמחזור הפיך יש את מידת היעילות הגבוהה ביותר.
