Процеси стиснення, розширення, нагрівання і охолодження газоподібних систем відіграють важливу роль в техніці і природі, тому розуміння законів, що описують переходи з одного термодинамічного стану в інше, є принциповим. Найзручніше ці закони вивчати і використовувати у графічній формі. У цій статті розглянемо графіки изопроцессов у фізиці.

Що розуміють під ізопроцесами в газах?

Коли кажуть, що вивчається закрита система перейшла з термодинамічного стану 1 в стан 2 в результаті здійснення певного ізопроцесів, то мають на увазі квазистатический її перехід при певному фіксованому термодинамічній параметрі. Квазистатическим перехід називається тому, що під час його здійснення система незначно відхиляється від рівноважного стану, тобто сам процес є повільним. У такому разі мікроскопічні характеристики встигають вирівнятися по всьому об'єму, що дозволяє визначити в будь-який момент часу макроскопічні параметри (тиск Р, об'єм V, температуру T).


Нижче будуть розглянуті три найбільш важливих ізопроцесів та графіки, які їм відповідають.

Изопроцесс за незмінної абсолютної температурі

Він також називається ізотермічним. Математично описують законом Бойля-Маріотта: P*V = const. Де значення константи залежить від кількості речовини в системі і від її температури. Якщо побудувати для цього ізопроцесів графік в координатах P-V, то ми отримаємо показану нижче гіперболу, яка наближається до осей тиску та об'єму. Як видно, кожному обсягом відповідає одне єдине тиск у досліджуваній системі. Якщо починати збільшувати або зменшувати температуру, то ізотерма буде віддалятися від осей або наближатися до них. На графіку нижче системі з найбільшою температурою відповідає зелена гіпербола.


В деяких випадках буває зручним уявити изотерму в координатних осях P-1/V. Зручність полягає в тому, що графік буде представляти пряму лінію.

Изопроцесс при постійному тиску

Він називається изобарным переходом. На практиці його легко отримати, якщо нагрівати будь газ у циліндрі з рухомим поршнем. В результаті нагріву система збільшує свій об'єм і температуру, зберігаючи незмінним тиск. Формула для изобарного процесу носить назву закону Шарля і виглядає наступним чином: V/T = const. Постійна в правій частині рівності однозначно визначається, якщо відомі кількість молекул або атомів у системі і тиск. Закон Шарля встановлює пряму пропорційність між температурою й об'ємом з позитивним кутом нахилу, тому для досліджуваного ізопроцесів графік являє собою пряму лінію. В якості прикладу нижче наведено довільна изобар.

Нагрівання та охолодження при постійному обсязі

Позначений у назві цього пункту процес є изохорным. Обсяг в такому разі виявляється фіксованим, змінюються лише тиск і температура. Зміни цих величин розраховуються за допомогою наступного виразу: P/T = const. Постійна const залежить від об'єму системи і кількості речовини в ньому. Вираз називається законом Гей-Люссака. Відповідний графік в осях P-T являє собою зростаючу лінійну залежність (див. головне фото). Збільшення об'єму системи при збереженні кількості частинок в ній призводить до наближення до осі температур изохоры. Наведені в статті формули і графіки изопроцессов справедливі тільки в тому випадку, якщо вивчається система з хорошою точністю описується моделлю ідеального газу. Якщо це не так, то представлені графічні залежності будуть спотворюватися, і їх слід перебудовувати з використанням моделі Ван-дер-Ваальса для реальних газів.