Izobarični, izohorični, izotermni in adiabatni procesi za idealni plin

Poznavanje definicij v fiziki je ključno za uspešno reševanje različnih fizikalnih problemov. V tem članku obravnavamo, kaj pomenijo izobarični, izohorični, izotermni in adiabatni procesi za sistem idealnega plina.

Idealni plin in njegova enačba

Preden začnemo opisovati izobarične, izohorične in izotermne procese, razmislimo, kaj je idealen plin. Ta definicija v fiziki označuje sistem, sestavljen iz velikega števila brezrazsežnih in medsebojno neovlivljivih delcev, ki se gibljejo z velikimi hitrostmi v vseh smereh. V bistvu govorimo o plinastem agregatnem stanju snovi, v katerem je razdalja med atomi in molekulami veliko večja od njihove velikosti in v katerem je potencialna energija interakcije delcev zaradi svoje majhnosti zanemarjena v primerjavi s kinetično energijo.

Stanje idealnega plina je niz njegovih termodinamičnih parametrov. Glavni so temperatura, prostornina in tlak. Označimo jih s T, V in P. V 30. letih 19. stoletja je francoski znanstvenik Clapeyron prvič zapisal enačbo, ki te termodinamične parametre združuje v eno enakost. Ima obliko:

P*V = n*R*T,

kjer sta n in R snovna količina oziroma plinska konstanta.

Kaj so izoprocesi v plinih?

Kot so mnogi opazili, izobarični, izohorični in izotermni procesi v svojem imenu uporabljajo isto predpono "izobarna". Pomeni enakost enega termodinamičnega parametra med celotnim procesom, pri čemer se drugi parametri spreminjajo. Izotermni proces nam na primer pove, da je rezultat absolutna temperatura sistema ostaja konstanten, medtem ko izohorični proces pomeni, da je prostornina.

Izoprocese je priročno preučevati, ker določitev enega od termodinamičnih parametrov vodi do poenostavitve splošne enačbe stanja plina. Pomembno je poudariti, da so bili plinski zakoni za vse omenjene izoprocese odkriti eksperimentalno. Njihova analiza je Clapeyronu omogočila, da je dobil univerzalno enačbo.

Izobarični, izohorični in izotermni procesi

Prvi odkriti zakon za izotermni proces v idealnem plinu. Zdaj ga imenujemo Boylov-Mariottov zakon. Ker se T ne spreminja, izhaja enakost iz enačbe stanja:

P*V = konst.

Z drugimi besedami, vsaka sprememba tlaka v sistemu povzroči obratno sorazmerno spremembo njegove prostornine, če je temperatura plina konstantna. Graf funkcije P(V) je hiperbola.

Izobarični proces je sprememba stanja sistema, v katerem tlak ostaja konstanten. Če v Clapeyronovi enačbi določimo vrednost P, dobimo naslednji zakon

V/T = konst.

Ta enačba nosi ime francoskega fizika Jacquesa Charlesa, ki jo je dobil konec 18. stoletja. Izobara (grafični prikaz funkcije V(T)) je videti kot ravna črta. Čim višji je tlak v sistemu, tem hitreje se ta črta povečuje.

Izobarični proces se enostavno izvede s segrevanjem plina pod batnico. Molekule slednjega povečajo svojo hitrost (kinetično energijo), ustvarijo višji tlak na bat, kar povzroči ekspanzija plina in ohranjanje konstantne vrednosti P.

Končno, tretji izohorični proces. Potuje s konstantno prostornino. Iz enačbe stanja dobimo ustrezno enačbo:

P/T = konst.

Med fiziki je ta zakon znan kot Hay-Lussacov zakon. Neposredna povezava med tlakom in absolutno temperaturo kaže, da je graf izohoričnega procesa, tako kot graf izobaričnega procesa, premica s pozitivnim koeficientom naklona.

Pomembno je razumeti, da vsi izoprocesi potekajo v zaprtih sistemih, kar pomeni, da se pri njihovem poteku ohranja vrednost n.

Adiabatski proces

Ta proces ni kategorija "iso", ker se na poti spreminjajo vsi trije termodinamični parametri. Adiabatski je prehod med dvema stanjema sistema, pri katerem sistem ne izmenjuje toplote z okolje. Tako pride do razširitve sistema zaradi njegovih notranjih zalog energije, kar povzroči znatno znižanje tlaka in absolutne temperature v sistemu.

Adiabatni proces za idealni plin je opisan s Poissonovimi enačbami. Eden od njih je naveden v nadaljevanju:

P*V^γ = const,

kjer je γ - je razmerje toplotnih kapacitet pri konstantnem tlaku in konstantni prostornini.

Adiabatna krivulja se razlikuje od izohoričnega in izobaričnega procesa, vendar je podobna hiperboli (izotermi). Adiabatski prehod na osi P-V se obnaša bolj naglo kot izoterma.