عمليات Isochoric: التعريف والمعادلة والأمثلة

العملية المتساوية هي واحدة من العديد من العمليات الديناميكية الحرارية المثالية التي تصف كيف يمكن أن تخضع حالات الغاز المثالي للتغيير. يصف سلوك الغاز في حاوية مغلقة بحجم ثابت. في هذه الحالة ، عند إضافة الطاقة ، تتغير درجة حرارة الغاز فقط ؛ لا يعمل على محيطه. لذلك لا تدور أي محركات ، ولا تتحرك المكابس ، ولا يحدث أي ناتج مفيد.

العملية المتساوية ، (تسمى أحيانًا عملية isovolumetric أو isometric) هي عملية ديناميكية حرارية تحدث بحجم ثابت. نظرًا لأن الحجم لا يتغير ، فإن العلاقة بين الضغط ودرجة الحرارة تحافظ على قيمة ثابتة.

يمكن فهم ذلك بالبدء بقانون الغاز المثالي:

PV = nRT

أين ص هو الضغط المطلق للغاز ، الخامس هو الحجم ، ن هي كمية الغاز ، ص هو ثابت الغاز المثالي (8.31 J / mol K) ، و تي هي درجة الحرارة.

عندما يظل الحجم ثابتًا ، يمكن إعادة ترتيب هذا القانون لإظهار أن النسبة ص ل تي يجب أن يكون أيضًا ثابتًا:

يُعرف هذا التعبير الرياضي للنسبة بين الضغط ودرجة الحرارة قانون جاي لوساك، سميت بهذا الاسم نسبة إلى الكيميائي الفرنسي الذي ابتكرها في أوائل القرن التاسع عشر. النتيجة الأخرى لهذا القانون ، والتي تسمى أحيانًا قانون الضغط ، هي القدرة على التنبؤ درجات الحرارة والضغوط للغازات المثالية التي تخضع لعمليات متساوية الصدور باستخدام المعادلة التالية:

أين ص₁ و تي₁ هي الضغط الأولي ودرجة حرارة الغاز ، و ص₂ و تي₂ هي القيم النهائية.

على الرسم البياني للضغط مقابل درجة الحرارة ، أو الرسم التخطيطي الكهروضوئي ، يتم تمثيل عملية متساوية الصدور بخط عمودي.

التفلون (PTFE) ، المادة غير التفاعلية والأكثر انزلاقًا على هذا الكوكب مع تطبيقات عبر العديد صناعات من الفضاء إلى الطهي ، كان اكتشافًا عرضيًا نتج عن تماثل الصدفة عملية. في عام 1938 ، قام الكيميائي روي بلونكيت من شركة دوبونت بإعداد مجموعة من الأسطوانات الصغيرة لتخزينها غاز رباعي فلورو إيثيلين ، لاستخدامه في تقنيات التبريد ، والذي قام بعد ذلك بتبريده إلى درجة حرارة عالية درجة حرارة منخفضة.

عندما ذهب بلونكيت لفتحه لاحقًا ، لم يخرج أي غاز ، على الرغم من أن كتلة الأسطوانة لم تتغير. قام بتقطيع الأنبوب ليفحصه ورأى مسحوقًا أبيض يكسو الداخل ، والذي ثبت لاحقًا أن له خصائص تجارية مفيدة للغاية.

وفقًا لقانون جاي لوساك ، عندما انخفضت درجة الحرارة بسرعة ، انخفض الضغط لبدء تغيير طور في الغاز.

ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أن التغيير في الطاقة الداخلية للنظام يساوي الحرارة المضافة إلى النظام مطروحًا منه الشغل الذي يقوم به النظام. (بمعنى آخر ، مدخلات الطاقة مطروحًا منها خرج الطاقة.)

يُعرَّف الشغل الذي يقوم به الغاز المثالي بأنه يضاعف ضغطه التغير في الحجم ، أو PΔV (أو PdV). لأن الحجم يتغير ΔV ، هو صفر في عملية متساوية الصدور ، ومع ذلك ، لا يقوم الغاز بأي عمل.

ومن ثم ، فإن التغير في الطاقة الداخلية للغاز يساوي ببساطة كمية الحرارة المضافة.

مثال على تقريبا عملية isochoric هي طنجرة ضغط. عند الإغلاق ، لا يمكن تغيير الحجم الداخلي ، لذلك عند إضافة الحرارة ، يزداد الضغط ودرجة الحرارة بسرعة. في الواقع ، يتمدد قدر الضغط قليلاً ، ويتم إطلاق بعض الغاز من الصمام الموجود في الأعلى.

المحركات الحرارية هي الأجهزة التي تسخر نقل الحرارة للقيام ببعض الأعمال. يستخدمون نظامًا دوريًا لتحويل الطاقة الحرارية المضافة إليهم إلى طاقة ميكانيكية أو حركة. تشمل الأمثلة التوربينات البخارية ومحركات السيارات.

تُستخدم عمليات الأيزوكوريك في العديد من المحركات الحرارية الشائعة. ال أوتو سيكل، على سبيل المثال ، عبارة عن دورة ديناميكية حرارية في محركات السيارات تصف عملية انتقال الحرارة أثناء الاشتعال ، وضربة الطاقة تحريك مكابس المحرك لجعل السيارة تتحرك ، وإطلاق الحرارة ، وشوط الانضغاط لإعادة المكابس إلى بدايتها المواقف.

في دورة أوتو ، تعتبر الخطوتان الأولى والثالثة ، إضافة وإطلاق الحرارة ، عمليتين متساويتين. تفترض الدورة أن التغيرات الحرارية تحدث على الفور ، دون تغيير في حجم الغاز. وبالتالي ، يتم العمل فقط على السيارة أثناء مرحلتي شوط الطاقة والضغط.

يتم تمثيل العمل الذي يقوم به محرك حراري باستخدام دورة أوتو بالمنطقة الموجودة أسفل المنحنى في الرسم التخطيطي. هذا هو الصفر حيث تحدث العمليات المتساوية لإضافة الحرارة وإطلاقها (الخطوط العمودية).

عمليات Isochoric مثل هذه هي بشكل عام عمليات لا رجعة فيها. بمجرد إضافة الحرارة ، فإن الطريقة الوحيدة لإعادة النظام إلى حالته الأصلية هي إزالة الحرارة بطريقة ما عن طريق القيام بالعمل.

عمليات الأيزوكوريك ليست سوى واحدة من عدة عمليات ديناميكية حرارية مثالية تصف سلوك الغازات المفيدة للعلماء والمهندسين.

بعض الأشياء الأخرى التي تمت مناقشتها بمزيد من التفصيل في مكان آخر على الموقع تشمل:

عملية متساوية الضغط: يحدث هذا عند ضغط مستمر وهو شائع في العديد من أمثلة الحياة الواقعية ، بما في ذلك غليان الماء على موقد أو إضاءة عود ثقاب أو في توربينات نفاثة تتنفس الهواء. هذا لأنه ، في الغالب ، لا يتغير ضغط الغلاف الجوي للأرض كثيرًا في منطقة محلية ، مثل المطبخ الذي يصنع فيه شخص ما المعكرونة. بافتراض تطبيق قانون الغاز المثالي ، فإن درجة الحرارة مقسومة على الحجم هي قيمة ثابتة لعملية متساوية الضغط.

عملية متساوية الحرارة: يحدث هذا عند درجة حرارة ثابتة. على سبيل المثال ، أثناء تغيير الطور مثل غليان الماء من أعلى وعاء ، تكون درجة الحرارة ثابتة. تستخدم الثلاجات أيضًا عمليات متساوية الحرارة والتطبيق الصناعي هو محرك Carnot. هذه العملية بطيئة لأن الحرارة المضافة يجب أن تكون مساوية للحرارة المفقودة كعمل من أجل الحفاظ على درجة الحرارة الكلية ثابتة. بافتراض تطبيق قانون الغاز المثالي ، فإن حجم أوقات الضغط هو قيمة ثابتة لعملية متساوية الحرارة.

عملية ثابت الحرارة: لا يوجد تبادل حراري أو مادة مع المناطق المحيطة حيث يتغير حجم الغاز أو السوائل. بدلاً من ذلك ، الناتج الوحيد في عملية ثابتة الحرارة هو العمل. هناك حالتان قد تحدث فيهما عملية ثابتة الحرارة. إما أن تحدث العملية بسرعة كبيرة بحيث لا تنتقل الحرارة داخل أو خارج النظام بأكمله ، على سبيل المثال أثناء شوط انضغاطي لمحرك غاز ، أو يحدث في حاوية معزولة جيدًا للحرارة لا يمكنها عبور الحاجز على الإطلاق.

مثل عمليات الديناميكا الحرارية الأخرى الموضحة هنا ، لا توجد عملية ثابتة ثابتة بالفعل ، ولكن التقريب ضد هذا النموذج المثالي مفيد في الفيزياء والهندسة. على سبيل المثال ، التوصيف الشائع للضواغط والتوربينات والآلات الديناميكية الحرارية الأخرى هو ثابت الحرارة الكفاءة: هي نسبة العمل الفعلي الذي تخرجه الآلة إلى مقدار العمل الذي ستخرجه إذا خضعت لحقيقة عملية ثابت الحرارة.