Изотермен процес
осми клас * 2 ядро  
Isotherm [айсоутъъм]
Isotherm

 

  Изотермен процес
       
 

Термодинамичен процес, протичащ при постоянна температура.

Основно свойство на веществото, намиращо се в газообразно състояние, е неговата способност да заема целия обем на съда, в който е поставено. То се дължи на значително по-големите разстояния между молекулите в газовете, в сравнение с твърдите тела и течностите. Поради това силите на взаимодействие между газовите молекули са много слаби и хаотичното топлинно движение ги разпръсква из целия обем на съда, в който е поставен газът. Именно затова обемът на определено количество газ може да бъде различен в зависимост от размерите на съда, в който е затворен. Обемът на газа означаваме с V а големината му можем да изчисляваме или измерваме.

При своето хаотично движение молекулите на газа непрекъснато се удрят в стените на съда. Ударите на отделната молекула са толкова слаби, че няма толкова чувствителен уред, който да ги отчете. Тези удари, обаче, са толкова много на брой и толкова чести, че в резултат на тях газът упражнява непрекъснат натиск върху стените на съда. Натискът на единица площ представлява налягането

То се увеличава, когато ударите станат по - чести и по-силни, и обратно, намалява, когато честотата и силата на ударите намалява. Налягането се означава с буквата р и се измерва с единицата, която познаваме от механиката - Ра (паскал). Третата величина, свързана с поведението на молекулите на газа, е неговата температура. Ние вече знаем, че температурата на телата зависи от средната скорост и средната кинетична енергия на молекулите. Температурата в абсолютната скала се означава с Т и се измерва в К (келвини).

Обемът, налягането и температурата са трите величини, които характеризират топлинното движение на газовите молекули. Те се изменят в зависимост от условията, при които е поставен газът. Затова казваме, че обемът, налягането и температурата определят неговото състояние. Да познаваме състоянието на един газ означава да знаем какъв обем заема, какво налягане упражнява и каква е температурата му.

Ако една от тези три величини се промени под действието на външни причини, това води до промяната и на другите две величини. При изменения на величините, характеризиращи състоянието на газа, ние казваме, че в газа протичат термодинамични процеси.

Ще започнем изучаването на свойствата на газовете с изучаването на най-простите термодинамични процеси, при които стойността на една от основните величини - обемът, налягането или температурата остава постоянна, а промени стават само в стойностите на другите две величини. Такива процеси се наричат изопроцеси.

Най-напред ще изучим процеса, при който температурата на газа остава постоянна величина.

Термодинамичен процес, протичащ при постоянна температура, се нарича изотермен.

При него се изменят само обемът и налягането на газа. Следователно, за да изследваме зависимостта между тези две величини при изотермен процес, е необходимо да осигурим постоянна температура и по някакъв начин да променяме едната от тях, като следим за съответните изменения на другата.

Опитната постановка, чрез която можем да изследваме зависимостта на налягането от обема представлява един цилиндър с бутало, което плътно опира в стените на цилиндъра (фиг. 1).

Фиг. 1

Обемът на газа в цилиндъра, можем да отчитаме по скалата на обема, а налягането на газа ще измерваме с помощта на манометър, свързан към цилиндъра. Опитните резултати показват, че ако намалим обема на газа 2 пъти, налягането на газа се увеличава съответно2 и 3 пъти. Обратно, ако увеличаваме обема на газа 2 и 3 пъти налягането на газа намалява съответно 2 и 3 пъти.

Въз основа на опитните резултати може да се направи извод, че при постоянна температура налягането и обемът на определено количество газ са обратнопропорционални, т.е. произведението от налягането и обема на газа е постоянна величина.

pV = poVo = const

За да поддържаме температурата постоянна трябва да осигурим непрекъснат и интезивен топлообмен на изследваното количество газ с околната среда. При това, колкото е по - бавен процесът, толкова по - успешна ще се осигурява постоянство на температура. Следователно, за да имаме право да считаме процеса за изотермен, необходимо е той да се извършва достатъчно бавно.

Зависимостта между обема, и налягането при постоянна температура носи название закон на Бойл - Мариот. Тя е била установена за пръв път от английския физик Бойл през 1662 г. и независимо от него от френския физик Мариот през 1676.

Законът на Бойл - Мариог може да се обясни с молекулно – кинетичната теория. При намаляване обема на газа плътността се увеличава. Тогава се увеличава честотата на ударите (броят на ударите за единица време) върху стените на съда, и следователно се увеличава силата на натиск на газа, а оттам и налягането. Обратно, при увеличаване обема на газа, се намалява плътността му. В резултат на това намалява честотата на ударите, а оттам и силата, действаща на стените, и следователно намалява налягането на газа.

Описаният опит може да се проведе не само с въздух, но и с произволен газ. При това се получават същите резултати. По - прецизни опити показват, че на закона на Бойл - Мариот се подчиняват със задоволителна точност само достатъчно разредените газове. При силно сгъстените или силно изстудени газове се наблюдават забележими отклонения от този закон. Газ, чието поведение се подчинява съвършено точно на закона на Бойл - Мариот, е прието да се нарича идеален газ. Разредените газове с достатъчно голяма точност можем да разглеждаме като идеални.

По какво се различават в молекулно - кинетично отношение разредените газове от сгъстените под високо налягане или намиращите се при температури, близки до температурата на втечняване? Най-вече по това, че поради големите разстояния между молекулите им взаимодействието между последните може напълно да се пренебрегне. Освен това, всяка от молекулите на газа се движи като през празно пространство - обемът, заеман от останалите молекули, може да се пренебрегне спрямо общия обем на съда. И така, можем да кажем, че в молекулно - кинетично отношение под идеален газ разбираме такъв газ, при който бихме могли да пренебрегнем размерите на молекулите и взаимодействието между тях.