Isokoriske processer: definition, ligning og eksempler

Den isokoriske proces er en af ​​flere idealiserede termodynamiske processer, der beskriver, hvordan tilstandene for en ideel gas kan gennemgå ændringer. Den beskriver gasens opførsel i en lukket beholder ved et konstant volumen. I denne situation, når energi tilføjes, ændres kun temperaturen på gassen; det fungerer ikke på sine omgivelser. Så ingen motorer drejer, ingen stempler bevæger sig, og der sker ikke noget nyttigt output.

En isokorisk proces, (undertiden kaldet isovolumetrisk eller isometrisk proces) er en termodynamisk proces, der forekommer ved et konstant volumen. Da lydstyrken ikke ændres, opretholder forholdet mellem tryk og temperatur en konstant værdi.

Dette kan forstås ved at starte med den ideelle gaslov:

PV = nRT

Hvor P er det absolutte tryk af gassen, V er volumen, n er mængden af ​​gas, R er den ideelle gaskonstant (8,31 J / mol K), og T er temperatur.

Når lydstyrken holdes konstant, kan denne lov omarrangeres for at vise, at forholdet mellem P til T skal også være konstant:

Dette matematiske udtryk for forholdet mellem tryk og temperatur er kendt som Gay-Lussacs lov, så opkaldt efter den franske kemiker, der kom op med det i begyndelsen af ​​1800-tallet. Et andet resultat af denne lov, som undertiden også kaldes presseloven, er evnen til at forudsige temperaturer og tryk for ideelle gasser, der gennemgår isokoriske processer ved hjælp af følgende ligning:

Hvor P₁ og T₁ er gasens indledende tryk og temperatur, og P₂ og T₂ er de endelige værdier.

På en graf over tryk versus temperatur eller et PV-diagram er en isokorisk proces repræsenteret af en lodret linje.

Teflon (PTFE), det ikke-reaktive, mest glatte stof på planeten med applikationer på tværs af mange industrier fra rumfart til madlavning, var en utilsigtet opdagelse, der skyldtes en isokorisk behandle. I 1938 havde DuPont-kemiker Roy Plunkett oprettet en flok små cylindre til opbevaring tetrafluorethylengas til brug i køleteknologier, som han derefter afkølet til ekstremt lav temperatur.

Da Plunkett åbnede en senere, kom der ingen gas ud, selvom cylindermassen ikke var ændret. Han huggede røret op for at undersøge og så en hvid pulverlakering indersiden, hvilket senere viste sig at have uhyre nyttige kommercielle egenskaber.

I henhold til Gay-Lussacs lov, da temperaturen hurtigt faldt, gik også trykket for at indlede en faseændring i gassen.

Den første lov om termodynamik siger, at ændringen i et systems indre energi er lig med varmen tilsat systemet minus det arbejde, systemet udfører. (Med andre ord, energi input minus energi output.)

Arbejdet udført af en ideel gas defineres som dens tryk gange dets volumenændring eller PΔV (eller PdV). Fordi lydstyrken ændres ΔV, er nul i en isokorisk proces, men der udføres ikke noget arbejde af gassen.

Derfor er ændringen i gasens indre energi simpelthen lig med mængden af ​​tilsat varme.

Et eksempel på en næsten isokorisk proces er en trykkoger. Når lukket er lukket, kan volumenet indeni ikke ændre sig, så når varme tilsættes, øges både tryk og temperatur hurtigt. I virkeligheden udvides trykkogere lidt, og der frigøres noget gas fra en ventil ovenpå.

Varmemotorer er enheder, der udnytter overførslen af ​​varme til at udføre en slags arbejde. De bruger et cyklisk system til at konvertere varmeenergi tilsat dem til mekanisk energi eller bevægelse. Eksempler inkluderer dampturbiner og bilmotorer.

Isokoriske processer anvendes i mange almindelige varmemotorer. Det Otto Cycleer for eksempel en termodynamisk cyklus i bilmotorer, der beskriver processen med varmeoverførsel under tænding, kraft slagtilfælde bevægelige motorstempler for at få bilen til at gå, frigivelse af varme og kompressionstakt, der returnerer stempler til deres start positioner.

I Otto Cycle betragtes det første og tredje trin, tilsætning og frigivelse af varme, som isokoriske processer. Cyklussen antager, at varmeændringerne sker øjeblikkeligt uden nogen ændring i gasens volumen. Således arbejdes der kun på køretøjet i effekt- og kompressionsslagfasen.

Arbejdet udført af en varmemotor ved hjælp af Otto-cyklussen er repræsenteret af området under kurven i diagrammet. Dette er nul, hvor de isochoriske processer med varmetilsætning og -frigivelse forekommer (de lodrette linjer).

Isochoriske processer som disse er generelt irreversible processer. Når der er tilføjet varme, er den eneste måde at bringe systemet tilbage til dets oprindelige tilstand ved at fjerne varmen på en eller anden måde ved at udføre arbejde.

Isokoriske processer er kun en af ​​adskillige idealiserede termodynamiske processer, der beskriver opførsel af gasser, der er nyttige for forskere og ingeniører.

Nogle af de andre diskuteret mere detaljeret andetsteds på siden inkluderer:

Isobarisk proces: Dette sker ved et konstant tryk og er almindeligt i mange eksempler fra det virkelige liv, herunder kogende vand på en komfur, tænding af en tændstik eller i luftåndende jetturbiner. Dette skyldes, for det meste, at trykket fra jordens atmosfære ikke ændrer sig meget i et lokalt område, såsom det køkken, hvor nogen laver pasta. Forudsat at den ideelle gaslov finder anvendelse, er temperatur divideret med volumen en konstant værdi for en isobar proces.

Isoterm proces: Dette sker ved en konstant temperatur. For eksempel er temperaturen stabil under en faseændring, såsom vand, der koger af toppen af ​​en gryde. Køleskabe bruger også isotermiske processer, og Carnot Engine er en industriel anvendelse. En sådan proces er langsom, fordi den tilsatte varme skal være lig med den tabte varme som arbejde for at holde den samlede temperatur konstant. Forudsat at den ideelle gaslov gælder, er tryk gange volumen en konstant værdi for en isoterm proces.

Adiabatisk proces: Der er ingen varme- eller materialeudveksling med omgivelserne, da en gas eller væske ændrer volumen. I stedet er det eneste output i en adiabatisk proces arbejde. Der er to tilfælde, hvor en adiabatisk proces kan forekomme. Enten sker processen for hurtigt til, at varme kan overføres ind eller ud af hele systemet, som f.eks kompressionsslag fra en gasmotor, eller det sker i en beholder, der er så godt isoleret, varme kan ikke krydse den barriere overhovedet.

Ligesom de andre termodynamiske processer, der er forklaret her, er ingen proces virkelig adiabatisk, men tilnærmelse mod dette ideal er nyttigt inden for fysik og teknik. For eksempel er en almindelig karakterisering af kompressorer, turbiner og andre termodynamiske maskiner adiabatisk effektivitet: Forholdet mellem det faktiske arbejde, som maskinen udfører, og hvor meget arbejde det ville levere, hvis det gennemgik et sandt adiabatisk proces.