La termodinámica es una rama importante de la física que estudia y describe sistemas termodinámicos en equilibrio o que tienden a él. Para poder describir la transición de un estado inicial a un estado final usando las ecuaciones de la termodinámica, es necesario hacer una aproximación de un proceso cuasi-estático. Qué es esta aproximación y qué tipos de estos procesos son, lo consideraremos en este artículo.
¿Qué significa un proceso cuasiestático?
Como sabes, la termodinámica para describir el estado del sistema utiliza un conjunto de características macroscópicas que se pueden medir experimentalmente. Estos incluyen la presión P, el volumen V y la temperatura absoluta T. Si se conocen las tres cantidades para el sistema en estudio en un momento dado, entonces se dice que se ha determinado su estado.
El concepto de proceso cuasiestático implica una transición entre dos estados. Durante esta transición,Naturalmente, las características termodinámicas del sistema cambian. Si en cada momento de tiempo durante el cual continúa la transición, se conocen T, P y V para el sistema, y no está lejos de su estado de equilibrio, entonces decimos que ocurre un proceso cuasi-estático. En otras palabras, este proceso es una transición secuencial entre un conjunto de estados de equilibrio. Él supone que la influencia externa en el sistema es insignificante para que tenga tiempo de llegar rápidamente al equilibrio.
Los procesos reales no son cuasiestáticos, por lo que se idealizará el concepto en cuestión. Por ejemplo, al expandirse o comprimirse un gas, se producen en él cambios turbulentos y procesos ondulatorios, que requieren de cierto tiempo para su atenuación. Sin embargo, en una serie de casos prácticos, para gases en los que las partículas se mueven a altas velocidades, el equilibrio se establece rápidamente, por lo que varias transiciones entre estados pueden considerarse casi estáticas con gran precisión.
Ecuación de estado y tipos de procesos en gases
El gas es un estado agregado de la materia conveniente para su estudio en termodinámica. Esto se debe a que para su descripción existe una ecuación simple que relaciona las tres magnitudes termodinámicas anteriores. Esta ecuación se llama la ley de Clapeyron-Mendeleev. Tiene este aspecto:
PV=nRT
Usando esta ecuación, todo tipo de isoprocesos y transición adiabática ySe construyen gráficas de la isobara, isoterma, isocora y adiabática. En igualdad, n es la cantidad de sustancia en el sistema, R es una constante para todos los gases. A continuación consideramos todos los tipos señalados de procesos cuasiestáticos.
Transición isotérmica
Se estudió por primera vez a finales del siglo XVII utilizando varios gases como ejemplo. Los experimentos correspondientes fueron realizados por Robert Boyle y Edm Mariotte. Los científicos llegaron al siguiente resultado:
PV=constante cuando T=constante
Si aumenta la presión en el sistema, entonces su volumen disminuirá en proporción a este aumento, si el sistema mantiene una temperatura constante. Es fácil derivar esta ley a partir de la ecuación de estado usted mismo.
La isoterma del gráfico es una hipérbola que se aproxima a los ejes P y V.
Transiciones isobáricas e isocóricas
Las transiciones isobáricas (a presión constante) e isocóricas (a volumen constante) en los gases se estudiaron a principios del siglo XIX. Gran mérito en su estudio y descubrimiento de las leyes pertinentes pertenece a los franceses Jacques Charles y Gay-Lussac. Ambos procesos se representan matemáticamente de la siguiente manera:
V/T=constante cuando P=constante;
P/T=const cuando V=const
Ambas expresiones se derivan de la ecuación de estado si establecemos la constante del parámetro correspondiente.
Hemos combinado estas transiciones en un párrafo del artículo porque tienen la misma representación gráfica. A diferencia de la isoterma, la isóbara y la isocora son líneas rectas quemostrar la proporcionalidad directa entre el volumen y la temperatura y la presión y la temperatura respectivamente.
Proceso adiabático
Difiere de los isoprocesos descritos en que procede en completo aislamiento térmico del medio ambiente. Como resultado de la transición adiabática, el gas se expande o contrae sin intercambio de calor con el medio ambiente. En este caso, ocurre un cambio correspondiente en su energía interna, es decir:
dU=- PdV
Para describir un proceso cuasiestático adiabático, es importante conocer dos cantidades: isobárica CP e isocórica CVcapacidad calorífica. El valor CP indica cuánto calor debe impartirse al sistema para que aumente su temperatura en 1 K durante la expansión isobárica. El valor CV significa lo mismo, solo para calentamiento a volumen constante.
La ecuación de este proceso para un gas ideal se llama ecuación de Poisson. Está escrito en los parámetros P y V de la siguiente manera:
PVγ=constante
Aquí el parámetro γ se llama exponente adiabático. Es igual a la proporción de CP y CV. Para un gas monoatómico γ=1,67, para un gas diatómico - 1,4, si el gas está formado por moléculas más complejas, entonces γ=1,33.
Dado que el proceso adiabático ocurre únicamente debido a sus propios recursos energéticos internos, el gráfico adiabático en los ejes P-V se comporta de manera más aguda que el gráfico de isoterma(hipérbole).
