Изотермични процеси: Определение, формула и примери

Разбирането какви са различните термодинамични процеси и как използвате първия закон на термодинамиката с всеки един е от решаващо значение, когато започнете да разглеждате топлинните двигатели и циклите на Карно.

Много от процесите са идеализирани, така че макар да не отразяват точно как се случват нещата в в реалния свят, те са полезни приближения, които опростяват изчисленията и улесняват изготвянето заключения. Тези идеализирани процеси описват как състоянията на идеалния газ могат да се променят.

Изотермичният процес е само един пример и фактът, че той се осъществява при една температура по дефиниция драстично опростява работата с първия закон на термодинамиката, когато изчислявате неща като топлинен двигател процеси.

Изотермичният процес е термодинамичен процес, който протича при постоянна температура. Ползата от работата при постоянна температура и с идеален газ е, че можете да използвате закона на Бойл и закона за идеалния газ, за ​​да свържете налягането и обема. И двата израза (тъй като законът на Бойл е един от няколкото закона, включени в закона за идеалния газ) показват обратна връзка между налягането и обема. Законът на Бойл предполага, че:

Където индексите означават налягането (P) и обем (V) в момент 1 и налягането и обема във времето 2. Уравнението показва, че ако обемът се удвои, например, налягането трябва да намалее наполовина, за да поддържа уравнението балансирано и обратно. Пълният закон за идеалния газ е

къдетоне броят на моловете на газа,Rе универсалната газова константа иTе температурата. С фиксирано количество газ и фиксирана температура,PVтрябва да приеме постоянна стойност, която води до предишния резултат.

На диаграма налягане-обем (PV), която е графика на налягането vs. обем, често използван за термодинамични процеси, един изотермичен процес изглежда като графиката нау​ = 1/​х, извивайки се надолу към минималната си стойност.

Един момент, който често обърква хората, е разликата между тяхизотермиченсрещу.адиабатен, но разбиването на думата на двете й части може да ви помогне да запомните това. „Iso“ означава равен, а „термичен“ се отнася до топлината на нещо (т.е. неговата температура), така че „изотермичен“ буквално означава „при еднаква температура“. Адиабатните процеси не включват топлинапрехвърляне, но температурата на системата често се променя по време на тях.

Първият закон на термодинамиката гласи, че промяната във вътрешната енергия (∆U) за система е равна на топлината, добавена към системата (Въпрос:) минус работата, извършена от системата (W), или в символи:

Когато се занимавате с изотермичен процес, можете да използвате факта, че вътрешната енергия е пряко пропорционална на температурата заедно с този закон, за да направите полезно заключение. Вътрешната енергия на идеалния газ е:

Това означава, че за постоянна температура имате постоянна вътрешна енергия. Така че с∆U= 0, първият закон на термодинамиката може лесно да бъде пренареден така:

Или с думи, добавената топлина към системата е равна на работата, извършена от системата, което означава, че добавената топлина се използва за извършване на работата. Например, при изотермично разширение към системата се добавя топлина, което я кара да се разширява, като работи върху околната среда, без да губи вътрешна енергия. При изотермична компресия околната среда работи върху системата и кара системата да губи тази енергия като топлина.

Топлинните двигатели използват пълен цикъл от термодинамични процеси, за да преобразуват топлинната енергия в механична енергия, обикновено чрез преместване на бутало, докато газът в топлинния двигател се разширява. Изотермичните процеси са ключова част от този цикъл, като добавената топлинна енергия се преобразува напълно в работа без загуби.

Това обаче е силно идеализиран процес, тъй като на практика винаги ще има малко загуба на енергия, когато топлинната енергия се преобразува в работа. За да работи в действителност, ще трябва да отнеме безкрайно много време, за да може системата да остане в топлинно равновесие със заобикалящата я среда по всяко време.

Изотермичните процеси се считат за обратими, защото ако сте завършили процес (например изотермичен разширяване) можете да стартирате същия процес в обратна посока (изотермична компресия) и да върнете системата към нейния оригинал държава. По същество можете да стартирате един и същ процес напред или назад във времето, без да нарушавате законите на физиката.

Ако обаче сте опитали това в реалния живот, вторият закон на термодинамиката ще означава, че е имало увеличение на ентропия по време на процеса „напред“, така че „назад“ няма да върне напълно системата към нейния оригинал държава.

Ако нанесете изотермичен процес на PV диаграма, работата, извършена по време на процеса, е равна на площта под кривата. Въпреки че можете да изчислите извършената работа изотермично по този начин, често е по-лесно просто да използвате първия закон на термодинамиката и факта, че извършената работа е равна на топлината, добавена към системата.

Ако правите изчисления за изотермичен процес, има няколко други уравнения, които можете да използвате, за да намерите свършената работа. Първият от тях е:

КъдетоV​_е е крайният обем иV​_i е началният обем. Използвайки закона за идеалния газ, можете да замените първоначалното налягане и обем (P​_i иV​_i) заnRTв това уравнение да получите:

В повечето случаи може да е по-лесно да се работи чрез добавена топлина, но ако имате само информация за налягането, обема или температурата, едно от тези уравнения може да опрости проблема. Тъй като работата е форма на енергия, нейната единица е джаулът (J).

Има много други термодинамични процеси и много от тях могат да бъдат класифицирани по подобен начин на изотермичните процеси, с изключение на това, че количествата, различни от температурата, са постоянни през цялото време. Изобарен процес е този, който протича при постоянно налягане и поради това силата, упражнявана върху стените на контейнера, е постоянна и извършената работа се дава отW​ = ​P∆V​.

За газ, подложен на изобарно разширение, трябва да има пренос на топлина, за да се поддържа налягането постоянно и тази топлина променя вътрешната енергия на системата, както и да върши работа.

Изохорен процес протича при постоянен обем. Това ви позволява да направите опростяване в първия закон на термодинамиката, защото ако обемът е постоянен, системата не може да работи върху околната среда. В резултат на това промяната във вътрешната енергия на системата се дължи изцяло на предадената топлина.

Адиабатичният процес е този, който протича без топлообмен между системата и околната среда. Това обаче не означава, че няма промяна в температурата в системата, тъй като процесът може да доведе до повишаване или намаляване на температурата без директен топлопренос. Въпреки това, без пренос на топлина, първият закон показва, че всяка промяна във вътрешната енергия трябва да се дължи на работата, извършена върху системата или от системата, тъй като тя определяВъпрос:= 0 в уравнението.