La thermodynamique est une branche importante de la physique qui étudie et décrit les systèmes thermodynamiques en équilibre ou tendant vers celui-ci. Afin de pouvoir décrire la transition d'un état initial à un état final à l'aide des équations de la thermodynamique, il est nécessaire de faire une approximation d'un processus quasi-statique. Quelle est cette approximation, et quels types de ces processus sont, nous examinerons dans cet article.
Qu'entend-on par processus quasi-statique ?
Comme vous le savez, la thermodynamique pour décrire l'état du système utilise un ensemble de caractéristiques macroscopiques qui peuvent être mesurées expérimentalement. Celles-ci incluent la pression P, le volume V et la température absolue T. Si les trois grandeurs sont connues pour le système étudié à un instant donné, alors on dit que son état a été déterminé.
Le concept de processus quasi-statique implique une transition entre deux états. Au cours de ce passage,Naturellement, les caractéristiques thermodynamiques du système changent. Si à chaque instant pendant lequel la transition se poursuit, T, P et V sont connus pour le système, et qu'il n'est pas loin de son état d'équilibre, alors on dit qu'un processus quasi-statique se produit. En d'autres termes, ce processus est une transition séquentielle entre un ensemble d'états d'équilibre. Il suppose que l'influence externe sur le système est insignifiante, de sorte qu'il a le temps de s'équilibrer rapidement.
Les processus réels ne sont pas quasi-statiques, donc le concept considéré sera idéalisé. Par exemple, lors de l'expansion ou de la compression d'un gaz, il y a des changements turbulents et des processus ondulatoires, qui nécessitent un certain temps pour leur atténuation. Néanmoins, dans un certain nombre de cas pratiques, pour les gaz dans lesquels les particules se déplacent à grande vitesse, l'équilibre s'établit rapidement, de sorte que diverses transitions entre leurs états peuvent être considérées comme quasi-statiques avec une grande précision.
Équation d'état et types de processus dans les gaz
Le gaz est un état agrégé de la matière pratique pour son étude en thermodynamique. Cela est dû au fait que pour sa description, il existe une équation simple qui relie les trois grandeurs thermodynamiques ci-dessus. Cette équation s'appelle la loi de Clapeyron-Mendeleïev. Il ressemble à ceci:
PV=nRT
En utilisant cette équation, toutes sortes d'isoprocessus et de transition adiabatique etdes graphes de l'isobare, de l'isotherme, de l'isochore et de l'adiabat sont construits. Dans l'égalité, n est la quantité de substance dans le système, R est une constante pour tous les gaz. Ci-dessous, nous considérons tous les types de processus quasi-statiques notés.
Transition isotherme
Il a été étudié pour la première fois à la fin du 17ème siècle en utilisant divers gaz comme exemple. Les expériences correspondantes ont été réalisées par Robert Boyle et Edm Mariotte. Les scientifiques sont arrivés au résultat suivant:
PV=const quand T=const
Si vous augmentez la pression dans le système, son volume diminuera proportionnellement à cette augmentation, si le système maintient une température constante. Il est facile de dériver cette loi de l'équation d'état vous-même.
L'isotherme sur le graphique est une hyperbole qui se rapproche des axes P et V.
Transitions isobariques et isochoriques
Les transitions isobariques (à pression constante) et isochoriques (à volume constant) dans les gaz ont été étudiées au début du XIXe siècle. Un grand mérite dans leur étude et découverte des lois pertinentes revient aux Français Jacques Charles et Gay-Lussac. Les deux processus sont représentés mathématiquement comme suit:
V/T=const quand P=const;
P/T=const quand V=const
Les deux expressions découlent de l'équation d'état si nous fixons le paramètre correspondant constant.
Nous avons regroupé ces transitions dans un seul paragraphe de l'article car elles ont la même représentation graphique. Contrairement à l'isotherme, l'isobare et l'isochore sont des droites quimontrent une proportionnalité directe entre le volume et la température et la pression et la température respectivement.
Processus adiabatique
Il diffère des isoprocédés décrits en ce qu'il se déroule dans une isolation thermique complète de l'environnement. Du fait de la transition adiabatique, le gaz se dilate ou se contracte sans échange de chaleur avec l'environnement. Dans ce cas, un changement correspondant de son énergie interne se produit, c'est-à-dire:
dU=- PdV
Pour décrire un processus quasi-statique adiabatique, il est important de connaître deux grandeurs: isobare CP et isochore CVcapacité calorifique. La valeur CP indique la quantité de chaleur qui doit être conférée au système pour qu'il augmente sa température de 1 K pendant l'expansion isobare. La valeur CV signifie la même chose, uniquement pour un chauffage à volume constant.
L'équation de ce processus pour un gaz parfait s'appelle l'équation de Poisson. Il s'écrit dans les paramètres P et V comme suit:
PVγ=const
Ici le paramètre γ est appelé l'exposant adiabatique. Il est égal au rapport de CP et CV. Pour un gaz monoatomique γ=1,67, pour un gaz diatomique - 1,4, si le gaz est formé de molécules plus complexes, alors γ=1,33.
Étant donné que le processus adiabatique se produit uniquement en raison de ses propres ressources énergétiques internes, le graphique adiabatique dans les axes P-V se comporte plus brusquement que le graphique isotherme(hyperbole).
