If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание
Текущ час:0:00Обща продължителност:14:37

Квазистатични и обратими процеси

Видео транскрипция

В последното видео говорихме за макросъстояния и създадохме тази ситуация, в която имаме този съд, или цилиндър, с този подвижен таван. Аз го наричам бутало. Буталото се избутва от налягането на газа в съда. И на буталото действа сила надолу от камък или тежест върху него. И над това имаме вакуум. По същество имаме сила върху площ, или налягане, която се дължи на удари от частиците върху буталото. И ако това тегло не е тук – нека приемем, че самото бутало или този подвижен таван, няма маса, ако тази тежест не е тук, то просто ще бъде изтласкано безкрайно далеч, защото вакуумът не упражнява налягане. Но това тегло упражнява някаква сила надолу върху тази площ. Така че имаме някаква равновесна точка, някаква стабилност. И ние начертахме това на тази графика на налягането спрямо обема. Ще го направя в цикламено. Така че това е нашето състояние 1, в което сме точно тук. И тогава в последното видео просто изпарих половината тежест. И веднага щом намалих наполовина този блок, очевидно силата, прилагана от блока, веднага намаля наполовина, и газът го избута нагоре. И това се случи толкова бързо, за миг газът го избута. Точно в този момент газът в горната част на съда ще има по-ниско налягане, защото има по-малко натиск върху него. Молекулите, които са тук долу, дори не знаят още, че аз съм взривил този блок. Те ще разберат след известно време. И по същество газът ще избута тавана нагоре, а след това може би ще се колебае, и след това пак ще го избута нагоре и отново малко ще се колебае. Ще отнеме известно време, докато стигнем друго равновесно състояние, където имаме ново определено по-ниско налягане. Определено имаме по-голям обем. Няма да говоря много за това все още, но вероятно имаме по-ниска температура. И това е нашето ново състояние. И налягането и обемът в новото макросъстояние ще бъдат определени, когато достигнем новото равновесие, така че сме тук. Моят въпрос в последното видео беше: Как дойдохме тук? Има ли начин да се определи пътя, по който стигнахме от първото състояние, при което налягането и обемът са ясно дефинирани, защото системата беше в термодинамично равновесие, до това второ състояние? И отговорът беше "не". Защото между това състояние и това състояние все едно адът се разтвори. Имах различни температури в различни точки на системата. Вероятно налягането се различаваше долу и горе. Обемът се колебаеше в различните моменти. Така че когато сме извън равновесие – аз го написах долу – не можем да определим, не може да се каже, че тези макро променливи са ясно дефинирани. Значи няма начин да кажеш по какъв път сме стигнали – ще изтрия това – как стигнахме от състояние 1 до състояние 2. Можеш да кажеш, че сме били в състояние на равновесие. Бяхме в състояние 1. Тогава аз изпарих половината камък. Налягането спадна, обемът нарасна. Температурата вероятно също се понижи. И се озовахме в това състояние, след като стигнахме равновесие. И това е правилно и ясно, но не би ли било хубаво ако имаше някакъв начин? Ако можехме да кажем: Виж, тук има някакъв път, по който достигнахме от тази точка до тази точка? Дали можехме да направим експеримента с камъка по различен начин, така че всичко тук да не полудява и във всеки един момент моите макро променливи да са всъщност дефинирани? Как мога да направя това? Не забравяй, казах че макро променливите, макросъстоянията, независимо дали са налягане, температура, обем, или нещо друго, но те са дефинирани само когато сме в състояние на термодинамично равновесие. И това просто означава, че нещата са достигнали точка на стабилност. Например температурата е еднаква в цялата система. Ако тя не е еднаква в цялата система, няма какво да говорим за нея. Ако температурата тук е различна от температурата тук горе, не мога да кажа, че температурата на системата е х. Тя е различна в различните точки. Наистина не мога да направя добре обосновано твърдение за температурата, както и за налягането и обема, защото обемът също се колебае. Но какво ще стане, ако изпълня отново същия експеримент, мога да кажа същия процес. Нека отново да го нарисувам. Имам моя съд. И вместо да започнем с камък, просто един голям камък, нека направя моето бутало тук в горната част като подвижен таван на цилиндъра. И имам газ вътре в него. Вместо да имам само един голям камък като тук, ще започна със същото тегло, но да кажем, че имам един куп малки камъчета, които общо тежат колкото този камък. Просто една купчина камъчета. Можеш да си ги представиш като пясък. Те са супер малки. Вместо просто да издухам половината от пясъка наведнъж, както направих с този камък преди, и веднага преминах към това тегло, като хвърлих цялата система в неопределено състояние на неравновесие. Вместо да правя това, просто ще правя нещата много бавно и внимателно. Просто ще извадя едно зърно пясък в даден момент. И ако просто извадя едно зърно от пясък... Така, изваждам едно незначително количество тегло. Какво ще се случи? Това бутало ще отиде малко нагоре. И нека да нарисувам това. Ще го копирам и поставя. Просто извадих една малка песъчинка. Силата, натискаща надолу, ще бъде малко по-малко. Натискът надолу ще бъде малко по-малко. И така моето бутало – да видя как да го нарисувам. Буталото ще се изкачи нагоре – нека да изтрия – ще се изкачи незначително – незначително означава безкрайно малко количество – то ще се премести за безкрайно малко време. И така няма да хвърлим системата в този хаос както стана предния път. Разбира се, все още не сме изминали целия път. Но се преместихме от тази точка до тази друга точка ето тук и сме малко по-близо до там. Току-що извадих съвсем малко от теглото. Така че моето налягане спадна само мъничко. И моят обем се повиши само малко. Температурата вероятно се понижи. И ключът тук е, че се опитвам да го направя в такива малки стъпки, така че системата ми остава много близо до равновесието. Просто го правя достатъчно бавно, така че на всяка стъпка системата се връща в равновесие почти веднага. Или е почти в равновесие през цялото време, докато го правя. И тогава го правя отново. Рисунките ми не са перфектни, просто за да пестя време. Да кажем, че премахвам друга малка песъчинка, която има безкрайно малка маса. И сега моето бутало ще се издигне само малко по-високо. И имаме една песъчинка по-малко отколкото тук. И тогава обемът на нашия газ малко се увеличава. Налягането спада малко. И се преместих до тази точка тук. Това, което правя тук, се нарича квазистатичен процес. И причината да се нарича така е, че той е почти статичен. Това е почти в равновесие през цялото време. Всеки път, когато извадя зрънце пясък, аз просто се приближавам малко. И очевидно дори и зърно пясък, ако това се случваше в реалния живот, щеше да предизвика малък хаос в моята система. Това бутало ще се издигне малко. Затова нека направя дори още по-малко зърно от пясък, за да се случват промените по-бавно и винаги да съм в равновесие. Разбираш, че това е добро на теория. Ако направя безкрайно малко зрънце пясък и го махна достатъчно бавно, така че много леко да се преместим от тази точка до тази. Предпочитаме да мислим за това теоретично, защото това ни позволява да опишем пътя. Защо съм толкова внимателен тук? Защо толкова внимавам системата да остане в равновесие, докато стигна от тук до тук? Защото нашите макросъстояния, нашите макро променливи като налягане, обем и температура са ясно дефинирани само при равновесие. Ако направя процеса супер бавно, в супер малки стъпки, това ми позволява да запазя налягането, обема и всъщност и температурата, във всеки един момент. Така че мога да начертая път. Ако продължавам да го правя бавно и с малки стъпки, мога да начертая пътя от състояние 1 до състояние 2 на тази PV диаграма. И можеш да кажеш: Хей, Сал, всичко това е... Ще се върна малко назад тук. Винаги съм намирал това за наистина объркващо. Ще чуваш това от хора, които се занимават с термодинамика, или дори в учебника ти – трябва да имаме квазистатичен процес. Винаги съм се чудил защо хората си причиняват тези мъки, за да опишат този процес, в който премахват песъчинка след песъчинка? И целият смисъл е, че че искаме да останем близо до равновесие през цялото време, така че налягането и обемът да са дефинирани през цялото време. В реалния свят никога не можеш да имаш нещо, което е определено през цялото време, но може да го правиш с наистина, наистина малки стъпки. Така че при всяко малко увеличение да имаш равновесие. И ако това не те задоволява, можеш да го правиш с още по-малки стъпки. Така че в даден момент, в някаква точка да имаш непрекъсната промяна на състоянието, докато си винаги в равновесие. Това е почти оксиморон, защото казваме, че сме статични, че сме в равновесие през цялото време, и същевременно имаме непрекъсната промяна. Продължаваме да махаме песъчинки. Но ги махаме достатъчно бавно, така че всички тези движения нагоре-надолу, целият хаос и промени в температурата не се случват. И буталото просто бавно пълзи нагоре и нагоре. Причината да ти обяснявам всичко това, е защото това е ключът, когато започнем термодинамиката и тези PV диаграми, ще започнем да говорим и за двигател на Карно и ще трябва да можем теоретично да описваме пътя, по който минаваме на тази PV диаграма. И няма да можем, ако не приемем, че имаме работа с квазистатичен процес. Има още един термин, който ще чуеш в термодинамиката, който наистина...искам да кажа, аз наистина имах проблем да го разбера първият път, когато го чух, и той е "обратим". Понякога тези термини – квазистатичен и обратим – се използват взаимозаменяемо, но има разлика. Обратимите процеси са квазистатични и повечето квазистатични процеси са обратими, но има няколко специални случая, които не са такива. Но идеята за обратим процес е нещо, което се случва много бавно. Така че в този пример извадих зърно от пясък и стигнах ново състояние, но ако предположа, че го няма триенето, когато това бутало се придвижи малко... В истинския свят, ако това бутало е метално, когато то се докосва до стените на съда, ще има малко триене, което ще преобразува малко енергия като триене или като топлина. Но при обратим процес ние приемаме, че тук няма триене. Когато нещо се случи в системата, ние се преместваме – нека означим това като състояние а, а това е състояние b. Така че това е състояние а, това е състояние b. Когато преминаваме от това състояние към това състояние, ние сме безкрайно близо до равновесие през цялото време, така че всички наши макросъстояния са ясно дефинирани. И още повече, когато се преместим от едното състояние в другото, няма загуба или разсейване на енергия. Така че това са две важни характеристики. Безкрайно близо до равновесие по всяко време и без загуба на енергия. И причината, поради която това има значение за обратимия процес, е защото, ако сме в състояние b, може просто да добавим една песъчинка обратно, натискаме надолу това бутало безкрайно бавно, в една безкрайно малка стъпка, и се връщаме в състояние a. Ето защо се наричат обратими. В този момент може да си тук и да извадиш една песъчинка и да се качиш до тук. Но ако искаш, тъй като няма загуба на енергия, можеш да добавиш малка песъчинка и да се качиш обратно до тук. В реалния свят няма такова нещо като перфектно обратим процес. Винаги, когато правиш нещо, ще има някаква енергия или топлина, които се губят в процеса. В реалния свят, ако се преместя тук долу, ако се опитам да сложа обратно песъчинка, ще загубя малко енергия и вероятно ще получа леко различна точка. Но не е нужно да се тревожиш за това. Важно е да запомниш от това видео, че в ситуацията, описана тук, няма междинни макростатични променливи, защото нашата система се променяше хаотично, не беше в равновесие. Ако искаме да имаме междинни състояния, просто трябва да направим този процес много по-бавно. Толкова бавен, че теоретично ще ни отнеме цяла вечност, за да можем да го опишем. Но пясъкът ти дава представа за какво говорим. И ако го направим бавно, с тези безкрайно малки частици от пясък, тогава можем да дефинираме състоянието във всяка точка от процеса. И затова го наричаме квазистатичен, защото във всяка точка е почти статичен. Това е почти в равновесие. Така че налягането, обемът и температурата могат да бъдат определени. И ако добавим към това условието, че не губим никаква топлина, когато отиваме в едната посока или другата, можем да кажем, че е обратим, защото ако вземем песъчинка, винаги можем да добавим малко пясък след това. След всичко това искам да ти дам пример за един квазистатичен... не, всъщност ще запазя това за бъдещо видео. Както и да е, надявам се, че разбра, че това са две концепции, които за мен наистина бяха объркващи, но се надявам, че ги разбра. Първия път, когато прочетох за това, си казах: за какво изобщо е всичко това? Всичко това е, за да можем да дефинираме макросъстоянията във всяка стъпка между тези две крайни състояния, които ни интересуват. По обикновения начин, без такъв квазистатичен процес, не знаем какво се случва тук по средата.