Isochorické procesy: definice, rovnice a příklady

Izochorický proces je jedním z několika idealizovaných termodynamických procesů, které popisují, jak mohou stavy ideálního plynu procházet změnami. Popisuje chování plynu v uzavřené nádobě při konstantním objemu. V této situaci, když se přidá energie, se změní pouze teplota plynu; nepracuje na svém okolí. Žádné otáčky motorů, žádný pohyb pístů a žádný užitečný výstup.

Izochorický proces (někdy nazývaný izovolumetrický nebo izometrický proces) je termodynamický proces, který probíhá při konstantním objemu. Protože se objem nemění, udržuje vztah mezi tlakem a teplotou konstantní hodnotu.

Tomu lze porozumět počínaje zákonem o ideálním plynu:

PV = nRT

Kde P je absolutní tlak plynu, PROTI je objem, n je množství plynu, R je konstanta ideálního plynu (8,31 J / mol K) a T je teplota.

Když je objem udržován konstantní, lze tento zákon přeskupit tak, aby ukazoval, že poměr je P na T musí být také konstanta:

Toto matematické vyjádření poměru mezi tlakem a teplotou je známé jako

Kde P₁ a T₁ jsou počáteční tlak a teplota plynu a P₂ a T₂ jsou konečné hodnoty.

Na grafu tlaku proti teplotě nebo na FV diagramu je izochorický proces reprezentován svislou čarou.

Teflon (PTFE), nereaktivní a nejklouzavější látka na planetě s mnoha aplikacemi průmyslových odvětvích od letectví až po vaření, byl náhodným objevem, který byl výsledkem izochoriky proces. V roce 1938 zřídil chemik DuPont Roy Plunkett hromadu malých lahví pro skladování tetrafluorethylenový plyn, pro použití v chladicích technologiích, který pak extrémně ochladil nízká teplota.

Když Plunkett později jednu otevřel, nevycházel z ní žádný plyn, i když se hmotnost válce nezměnila. Rozřezal trubici, aby ji prozkoumal, a uviděl bílý prášek, který potáhl vnitřek, což se později ukázalo jako nesmírně užitečné komerční vlastnosti.

Podle zákona Gay-Lussaca, když teplota rychle poklesla, poklesl také tlak na zahájení fázové změny v plynu.

První zákon termodynamiky říká, že změna vnitřní energie systému se rovná teplu přidanému do systému minus práce odvedená systémem. (Jinými slovy, vstup energie mínus výdej energie.)

Práce vykonaná ideálním plynem je definována jako jeho tlak krát jeho změna objemu, nebo PΔV (nebo PdV). Protože se mění hlasitost ΔV je v izochorickém procesu nula, plyn však žádnou práci neprovádí.

Změna vnitřní energie plynu se tedy jednoduše rovná množství přidaného tepla.

Příklad a téměř izochorický proces je tlakový hrnec. Když je uzavřený uzavřený, objem uvnitř se nemůže změnit, takže když se přidá teplo, tlak i teplota se rychle zvyšují. Ve skutečnosti se tlakové hrnce mírně rozpínají a část plynu se uvolňuje z ventilu nahoře.

Tepelné motory jsou zařízení, která využívají přenos tepla k provedení nějaké práce. Používají cyklický systém k přeměně tepelné energie, která jim byla přidána, na mechanickou energii nebo pohyb. Mezi příklady patří parní turbíny a automobilové motory.

Izochorické procesy se používají v mnoha běžných tepelných motorech. The Otto cyklusje například termodynamický cyklus v motorech automobilů, který popisuje proces přenosu tepla během zapalování, energetický zdvih pohybující se písty motoru, aby se auto rozjelo, uvolnění tepla a kompresní zdvih, který vrací písty do výchozí polohy pozic.

V Ottově cyklu jsou první a třetí krok, přidání a uvolnění tepla, považovány za izochorické procesy. Cyklus předpokládá, že ke změnám tepla dochází okamžitě, beze změny objemu plynu. Na vozidle se tedy pracuje pouze během fází silového a kompresního zdvihu.

Práce provedená tepelným motorem pomocí Ottova cyklu je v diagramu znázorněna oblastí pod křivkou. To je nula, kde dochází k izochorickým procesům sčítání a uvolňování tepla (svislé čáry).

Isochorické procesy, jako jsou tyto, jsou obecně nevratné procesy. Jakmile je teplo přidáno, jediným způsobem, jak vrátit systém do původního stavu, je teplo nějakým způsobem odstranit prací.

Isochorické procesy jsou jen jedním z několika idealizovaných termodynamických procesů, které popisují chování plynů užitečné pro vědce a inženýry.

Některé další diskutované podrobněji jinde na webu zahrnují:

Izobarický proces: K tomu dochází při konstantním tlaku a je to běžné v mnoha příkladech z reálného života, včetně vaření vody na sporáku, zapálení zápalky nebo ve vzduchových tryskových turbínách. Je to proto, že tlak zemské atmosféry se v místní oblasti, jako je kuchyň, ve které někdo vyrábí těstoviny, z velké části příliš nemění. Za předpokladu, že platí zákon ideálního plynu, je teplota dělená objemem konstantní hodnotou pro izobarický proces.

Izotermický proces: K tomu dochází při konstantní teplotě. Například během fázové změny, jako je voda vařící z hrnce, je teplota stabilní. Chladničky také používají izotermické procesy a průmyslovou aplikací je Carnot Engine. Takový proces je pomalý, protože přidané teplo se musí rovnat ztracenému teplu při práci, aby se udržela konstantní celková teplota. Za předpokladu, že platí zákon ideálního plynu, je tlaková doba objem pro izotermický proces konstantní hodnotou.

Adiabatický proces: Nedochází k výměně tepla ani materiálu s okolím, protože plyn nebo kapalina mění objem. Místo toho je jediným výstupem v adiabatickém procesu práce. Existují dva případy, kdy může dojít k adiabatickému procesu. Proces probíhá buď příliš rychle na to, aby se teplo mohlo přenášet do nebo ven z celého systému, například během kompresní zdvih plynového motoru, nebo se to stane v kontejneru, který je tak dobře izolovaný, teplo nemůže projít bariéra vůbec.

Stejně jako další zde vysvětlené termodynamické procesy není žádný proces skutečně adiabatický, ale aproximace tohoto ideálu je užitečná ve fyzice a inženýrství. Například běžná charakteristika pro kompresory, turbíny a další termodynamické stroje je adiabatická účinnost: Poměr skutečné práce, kterou stroj vydá, k tomu, kolik práce by vydal, pokud by prošel pravdou adiabatický proces.