Изохорни процеси: Определение, уравнение и примери

Изохорният процес е един от няколкото идеализирани термодинамични процеси, които описват как състоянията на идеалния газ могат да се променят. Той описва поведението на газа в затворен съд при постоянен обем. В тази ситуация при добавяне на енергия се променя само температурата на газа; не работи върху околностите. Така че никакви двигатели не се въртят, не се движат бутала и не се случва полезен изход

Изохорният процес (понякога наричан изоволуметричен или изометричен процес) е термодинамичен процес, който протича при постоянен обем. Тъй като обемът не се променя, връзката между налягането и температурата поддържа постоянна стойност.

Това може да се разбере, като се започне от закона за идеалния газ:

PV = nRT

Където P е абсолютното налягане на газа, V е обем, н е количеството газ, R е идеалната газова константа (8,31 J / mol K), и T е температурата.

Когато обемът се поддържа постоянен, този закон може да бъде пренареден, за да покаже, че съотношението на P да се T също трябва да бъде константа:

Този математически израз на съотношението между налягане и температура е известен като Законът на Гей-Люсак, наречен така на френския химик, който го измисли в началото на 1800-те. Друг резултат от този закон, който понякога се нарича още закон за натиск, е способността да се предсказва температури и налягания за идеални газове, подложени на изохорни процеси, като се използва следното уравнение:

Където P₁ и T₁ са първоначалното налягане и температура на газа, и P₂ и T₂ са крайните стойности.

На графика на налягането спрямо температурата или PV диаграма изохорният процес е представен чрез вертикална линия.

Тефлон (PTFE), нереактивното, най-хлъзгаво вещество на планетата с много приложения индустрии от аерокосмическата промишленост до готварството, беше случайно откритие, което е резултат от изохорично процес. През 1938 г. химикът на DuPont Рой Планкет беше поставил куп малки бутилки за съхранение тетрафлуоретилен газ, за ​​използване в хладилни технологии, които след това той охлажда до изключително ниска температура.

Когато Плънкет отиде да се отвори по-късно, газ не излезе, въпреки че масата на цилиндъра не се беше променила. Той отряза тръбата, за да разследва, и видя бял прах, покриващ вътрешността, който по-късно се оказа, че има изключително полезни търговски свойства.

Според закона на Гей-Люсак, когато температурата бързо намалява, намалява и налягането, за да се предизвика фазова промяна в газа.

Първият закон на термодинамиката гласи, че промяната във вътрешната енергия на системата е равна на топлината, добавена към системата минус работата, извършена от системата. (С други думи, вложената енергия минус изходната енергия.)

Работата, извършена от идеален газ, се определя като неговото налягане, умножено по неговата промяна в обема или PΔV (или PdV). Защото силата на звука се променя ΔV, е нула при изохорен процес, но газът не извършва работа.

Следователно промяната във вътрешната енергия на газа е просто равна на добавеното количество топлина.

Пример за a почти изохорен процес е тенджера под налягане. Когато се затвори затворено, обемът вътре не може да се промени, така че когато се добавя топлина, налягането и температурата се увеличават бързо. Всъщност тенджерите под налягане се разширяват леко и от клапата отгоре се отделя малко газ.

Топлинните двигатели са устройства, които използват трансфера на топлина за извършване на някаква работа. Те използват циклична система, за да преобразуват добавената към тях топлинна енергия в механична енергия или движение. Примерите включват парни турбини и автомобилни двигатели.

Изохорните процеси се използват в много често срещани топлинни машини. The Ото цикъл, например, е термодинамичен цикъл в автомобилните двигатели, който описва процеса на пренос на топлина по време на запалване, силовия удар движещи се бутала на двигателя, за да накара колата да потегли, отделянето на топлина и хода на компресията, връщайки буталата към стартирането им длъжности.

В цикъла на Ото първата и третата стъпка, добавянето и отделянето на топлина, се считат за изохорни процеси. Цикълът предполага, че топлинните промени настъпват моментално, без промяна в обема на газа. По този начин работата по автомобила се извършва само по време на фазите на мощност и ход на компресия.

Работата, извършена от топлинна машина, използваща цикъла на Ото, е представена от площта под кривата в диаграмата. Това е нула, когато протичат изохорни процеси на добавяне и отделяне на топлина (вертикалните линии).

Изохорните процеси като тези обикновено са необратими процеси. След като се добави топлина, единственият начин да върнете системата в първоначалното й състояние е да премахнете топлината по някакъв начин, като вършите работа.

Изохорните процеси са само един от няколкото идеализирани термодинамични процеси, които описват поведението на газовете, полезни за учените и инженерите.

Някои от другите, обсъдени по-подробно на друго място на сайта, включват:

Изобарен процес: Това се случва при постоянно налягане и е често срещано в много примери от реалния живот, включително вряща вода на печка, запалване на кибритена клечка или в дихателни въздушни турбини. Това е така, защото в по-голямата си част налягането на атмосферата на Земята не се променя много в местна зона, като кухнята, в която някой прави тестени изделия. Ако приемем, че се прилага законът за идеалния газ, температурата, разделена на обем, е постоянна стойност за един изобарен процес.

Изотермичен процес: Това се случва при постоянна температура. Например, по време на фазова промяна, като вода, която кипи от горната част на гърнето, температурата е стабилна. Хладилниците също използват изотермични процеси, а индустриалното приложение е Carnot Engine. Такъв процес е бавен, тъй като добавената топлина трябва да бъде равна на топлината, загубена при работа, за да се поддържа общата температура постоянна. Ако приемем, че се прилага законът за идеалния газ, налягането по обема е постоянна стойност за един изотермичен процес.

Адиабатен процес: Няма обмен на топлина или материал с околната среда, тъй като газът или течността променят обема. Вместо това единственият изход в адиабатния процес е работата. Има два случая, в които може да възникне адиабатен процес. И двата процеса се случват твърде бързо, за да може топлината да се пренесе във или извън цялата система, например по време на ход на компресия на газов двигател, или се случва в контейнер, който е толкова добре изолиран топлина не може да премине през изобщо бариера.

Подобно на другите термодинамични процеси, обяснени тук, нито един процес не е наистина адиабатичен, но сближаването с този идеал е полезно във физиката и инженерството. Например, една обща характеристика за компресори, турбини и други термодинамични машини е адиабатна ефективност: Съотношението на действителната работа, която машината извежда, към това колко работа би направила, ако е претърпяла истина адиабатен процес.