1. Βασική Θεωρία
Προσθέσαμε νέο παιχνίδι γι' αυτό το μάθημα!
ΔΙΑΒΑΣΕ ΤΟ
Κάτι δεν κατάλαβες; Επίλεξε το κομμάτι και πάτα «Ρώτα τον Νεύρωνα». Σου το εξηγεί αμέσως.

Αντιστρεπτές Μεταβολές

Όταν σε ένα θερμοδυναμικό σύστημα πραγματοποιείται μια μεταβολή, αλλάζουν τόσο το ίδιο το σύστημα όσο και το περιβάλλον του. Στην ενότητα αυτή θα διακρίνουμε τις μεταβολές σε αντιστρεπτές (αναστρέψιμες) και μη αντιστρεπτές και θα δούμε πότε μια μεταβολή μπορεί να παρασταθεί γραφικά σε διάγραμμα πίεσης–όγκου (p,V)(p, V).

Ορισμός της αντιστρεπτής μεταβολής

📌 Ορισμός — Αντιστρεπτή (αναστρέψιμη) μεταβολή

Αντιστρεπτή ονομάζεται εκείνη η μεταβολή κατά την οποία υπάρχει η δυνατότητα επαναφοράς του συστήματος και του περιβάλλοντός του στην αρχική τους κατάσταση.

Η έμφαση εδώ είναι διπλή: δεν αρκεί να επανέλθει στην αρχική κατάσταση μόνο το σύστημα, αλλά και το περιβάλλον, χωρίς να μείνει καμία μόνιμη μεταβολή πουθενά.

Παρόλο που στη φύση δεν συναντάμε αντιστρεπτές μεταβολές, η έννοια της αντιστρεπτής μεταβολής είναι ιδιαίτερα χρήσιμη ως εξιδανίκευση που μας επιτρέπει να μελετήσουμε ποσοτικά τα θερμοδυναμικά συστήματα.

Το θεμελιώδες πείραμα: συμπίεση αερίου σε κύλινδρο

Θεωρούμε ένα αέριο μέσα σε κύλινδρο που κλείνεται στο πάνω μέρος με εφαρμοστό έμβολο. Το αέριο βρίσκεται αρχικά σε ισορροπία, στην κατάσταση AΑ, με:

Θέλουμε να φέρουμε το αέριο σε μια τελική κατάσταση BΒ, στην οποία ο όγκος έχει μειωθεί σε VBV_Β και η πίεση και η θερμοκρασία έχουν πάρει τις τιμές pBp_Β και TBT_Β. Από τους πολλούς τρόπους με τους οποίους μπορεί να γίνει αυτή η μεταβολή, εξετάζουμε δύο ακραίες περιπτώσεις.

1η περίπτωση — απότομη συμπίεση (μη αντιστρεπτή)

Πιέζουμε απότομα το έμβολο, ώστε ο όγκος του αερίου να μειωθεί άμεσα στην επιθυμητή τιμή, και περιμένουμε μέχρι να αποκατασταθεί η ισορροπία.

🌀 Τι συμβαίνει στην απότομη συμπίεση

Κατά τη διάρκεια της μεταβολής το αέριο βρίσκεται σε αναταραχή: η πίεση και η θερμοκρασία του δεν είναι ίδιες σε όλη του την έκταση. Επομένως οι ενδιάμεσες καταστάσεις δεν είναι καταστάσεις ισορροπίας και η μεταβολή δεν μπορεί να παρασταθεί σε διάγραμμα.

Στο διάγραμμα p−Vp - V μπορούν να παρασταθούν μόνο η αρχική κατάσταση AΑ και η τελική κατάσταση BΒ (που είναι καταστάσεις ισορροπίας), ως δύο μεμονωμένα σημεία. Η διαδρομή ανάμεσά τους δεν σχεδιάζεται με γραμμή.

2η περίπτωση — αργή συμπίεση με κόκκους άμμου (οιονεί στατική)

Ρίχνουμε πρώτα λίγους κόκκους άμμου πάνω στο έμβολο. Αυτό μειώνει ελάχιστα τον όγκο του αερίου. Περιμένουμε λίγο, ώστε το αέριο να ισορροπήσει· η νέα κατάσταση ισορροπίας βρίσκεται πολύ κοντά στην αρχική. Στη συνέχεια ρίχνουμε πάλι λίγους κόκκους άμμου, μειώνοντας ακόμη λίγο τον όγκο, περιμένουμε ξανά να αποκατασταθεί η ισορροπία, κ.ο.κ. Επαναλαμβάνοντας συνεχώς αυτή τη διαδικασία, φέρνουμε σταδιακά το σύστημα στην τελική κατάσταση BΒ.

🔑 Οιονεί στατική μεταβολή

Κατά τη μεταβολή αυτή το σύστημα περνάει από διαδοχικές καταστάσεις που μπορούμε να τις θεωρήσουμε καταστάσεις ισορροπίας. Μια τέτοια μεταβολή, που εξελίσσεται τόσο αργά ώστε σε κάθε στιγμή το σύστημα να θεωρείται σε ισορροπία, λέγεται οιονεί στατική (σχεδόν στατική).

Με αντίστροφους χειρισμούς, δηλαδή αφαιρώντας σιγά-σιγά άμμο από το έμβολο, το σύστημα μπορεί να οδηγηθεί πάλι στην αρχική του κατάσταση. Γι' αυτό και η μεταβολή αυτή είναι αντιστρεπτή.

Γενικός ορισμός της αντιστρεπτής μεταβολής

📌 Ορισμός μέσω διαδοχικών καταστάσεων ισορροπίας

Αντιστρεπτή ονομάζουμε την εξιδανικευμένη μεταβολή κατά την οποία ένα σύστημα μεταβαίνει από μια αρχική κατάσταση σε μια τελική μέσω διαδοχικών καταστάσεων ισορροπίας. Μια τέτοια μεταβολή είναι δυνατόν να πραγματοποιηθεί και αντίστροφα.

Παράσταση σε διάγραμμα p−Vp - V

Καθεμία από τις διαδοχικές καταστάσεις ισορροπίας μιας αντιστρεπτής μεταβολής μπορεί να παρασταθεί γραφικά με ένα σημείο στο διάγραμμα p−Vp - V. Εφόσον η μία κατάσταση ισορροπίας διαδέχεται την άλλη, τα σημεία βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο, με αποτέλεσμα να δημιουργείται μια συνεχής γραμμή που ξεκινάει από την αρχική κατάσταση AΑ και οδηγεί στην τελική BΒ.

📈 Κανόνας γραφικής παράστασης
  • Μια αντιστρεπτή μεταβολή παριστάνεται γραφικά με μια συνεχή γραμμή (καμπύλη) που οδηγεί από την αρχική στην τελική κατάσταση.
  • Οι μη αντιστρεπτές μεταβολές δεν μπορούν να παρασταθούν γραφικά· σχεδιάζονται μόνο τα σημεία της αρχικής και της τελικής κατάστασης (που είναι καταστάσεις ισορροπίας).

Παρατηρήσεις και Προτάσεις

📝 Παρατήρηση 1 — Σύστημα και περιβάλλον

Η αντιστρεπτότητα απαιτεί την επαναφορά στην αρχική κατάσταση και του συστήματος και του περιβάλλοντος. Αν επανέλθει μόνο το σύστημα, ενώ στο περιβάλλον έχει μείνει μια μόνιμη αλλαγή, η μεταβολή δεν είναι αντιστρεπτή.

📝 Παρατήρηση 2 — Προϋπόθεση η ισορροπία

Για να παρασταθεί μια κατάσταση με σημείο στο διάγραμμα p−Vp - V, πρέπει το αέριο να βρίσκεται σε ισορροπία, δηλαδή να έχει σε όλη του την έκταση καθορισμένη (ίδια) πίεση και θερμοκρασία. Στην απότομη συμπίεση οι ενδιάμεσες καταστάσεις δεν πληρούν αυτή την προϋπόθεση.

📝 Παρατήρηση 3 — Αργή ταχύτητα ≈ αντιστρεπτότητα

Όσο πιο αργά (οιονεί στατικά) γίνεται μια μεταβολή, τόσο πιο κοντά βρίσκεται το σύστημα στην ισορροπία σε κάθε στιγμή και τόσο πιο πολύ προσεγγίζει την ιδανική αντιστρεπτή μεταβολή.