Isochore Prozesse: Definition, Gleichung & Beispiele

Der isochore Prozess ist einer von mehreren idealisierten thermodynamischen Prozessen, die beschreiben, wie sich die Zustände eines idealen Gases ändern können. Es beschreibt das Verhalten von Gas in einem geschlossenen Behälter bei konstantem Volumen. In dieser Situation ändert sich bei Energiezufuhr nur die Temperatur des Gases; es funktioniert nicht mit seiner Umgebung. Es dreht sich also kein Motor, keine Kolben bewegen sich und es passiert keine nützliche Leistung.

Ein isochorer Prozess (manchmal als isovolumetrischer oder isometrischer Prozess bezeichnet) ist ein thermodynamischer Prozess, der bei einem konstanten Volumen auftritt. Da sich das Volumen nicht ändert, bleibt das Verhältnis zwischen Druck und Temperatur konstant.

Dies kann verstanden werden, indem man mit dem idealen Gasgesetz beginnt:

PV = nRT

Wo P ist der absolute Druck des Gases, V ist Volumen, nein ist die Gasmenge, R die ideale Gaskonstante (8,31 J/mol K) ist und T ist die Temperatur.

Wenn das Volumen konstant gehalten wird, kann dieses Gesetz umgeordnet werden, um zu zeigen, dass das Verhältnis von

Dieser mathematische Ausdruck des Verhältnisses zwischen Druck und Temperatur ist bekannt als Gesetz von Gay-Lussac, so benannt nach dem französischen Chemiker, der es Anfang des 19. Jahrhunderts erfunden hat. Ein weiteres Ergebnis dieses Gesetzes, das manchmal auch als Druckgesetz bezeichnet wird, ist die Fähigkeit, vorherzusagen Temperaturen und Drücke für ideale Gase, die isochore Prozesse durchlaufen, unter Verwendung der folgenden Gleichung:

Wo P₁ und T₁ sind der Anfangsdruck und die Temperatur des Gases, und P₂ und T₂ sind die Endwerte.

In einem Druck-Temperatur-Diagramm oder einem PV-Diagramm wird ein isochorer Prozess durch eine vertikale Linie dargestellt.

Teflon (PTFE), die nicht reaktive, rutschigste Substanz der Welt mit vielen Anwendungen applications Industrien von der Luft- und Raumfahrt bis zum Kochen, war eine zufällige Entdeckung, die aus einem isochorenen Prozess. 1938 hatte der DuPont-Chemiker Roy Plunkett eine Reihe kleiner Zylinder aufgestellt, um sie aufzubewahren Tetrafluorethylen-Gas, für den Einsatz in der Kältetechnik, das er dann auf ein extrem niedrige Temperatur.

Als Plunkett später einen öffnete, kam kein Gas heraus, obwohl sich die Masse des Zylinders nicht verändert hatte. Er hackte das Rohr auf, um es zu untersuchen, und sah im Inneren eine weiße Pulverbeschichtung, die sich später als äußerst nützliche kommerzielle Eigenschaften erwies.

Nach dem Gay-Lussac-Gesetz nahm mit einer schnellen Temperaturabnahme auch der Druck ab, um eine Phasenänderung im Gas auszulösen.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Änderung der inneren Energie eines Systems gleich der dem System zugeführten Wärme abzüglich der vom System geleisteten Arbeit ist. (Mit anderen Worten: Energieeinsatz minus Energieabgabe.)

Die Arbeit eines idealen Gases ist definiert als sein Druck mal seine Volumenänderung oder P changeΔV (oder PdV). Weil sich die Lautstärke ändert ΔV, ist in einem isochoren Prozess null, das Gas verrichtet jedoch keine Arbeit.

Daher ist die Änderung der inneren Energie des Gases einfach gleich der zugeführten Wärmemenge.

Ein Beispiel für a fast isochorer Prozess ist ein Schnellkochtopf. Im geschlossenen Zustand kann sich das Volumen im Inneren nicht ändern, so dass bei Wärmezufuhr sowohl Druck als auch Temperatur schnell ansteigen. Tatsächlich dehnen sich Schnellkochtöpfe leicht aus und etwas Gas wird aus einem Ventil oben freigesetzt.

Wärmekraftmaschinen sind Geräte, die die Übertragung von Wärme nutzen, um eine Art von Arbeit zu verrichten. Sie verwenden ein zyklisches System, um ihnen zugeführte Wärmeenergie in mechanische Energie oder Bewegung umzuwandeln. Beispiele umfassen Dampfturbinen und Kraftfahrzeugmotoren.

Isochore Prozesse werden in vielen gängigen Wärmekraftmaschinen verwendet. Das Otto-Zyklusist beispielsweise ein thermodynamischer Zyklus in Automotoren, der den Prozess der Wärmeübertragung während der Zündung, den Arbeitstakt, beschreibt Bewegen der Motorkolben, um das Auto zum Laufen zu bringen, die Freisetzung von Wärme und der Verdichtungshub, der die Kolben zum Start zurückführt Positionen.

Im Otto-Zyklus werden der erste und dritte Schritt, die Wärmezufuhr und -abgabe, als isochore Prozesse bezeichnet. Der Zyklus geht davon aus, dass die Wärmeänderungen sofort erfolgen, ohne dass sich das Gasvolumen ändert. Somit wird nur während der Leistungs- und Kompressionshubphase am Fahrzeug gearbeitet.

Die Arbeit einer Wärmekraftmaschine im Otto-Zyklus wird durch die Fläche unter der Kurve im Diagramm dargestellt. Dieser ist Null, wo die isochoren Prozesse der Wärmezufuhr und -abgabe stattfinden (die vertikalen Linien).

Isochore Prozesse wie diese sind im Allgemeinen irreversible Prozesse. Sobald Wärme zugeführt wird, besteht die einzige Möglichkeit, das System in seinen ursprünglichen Zustand zurückzuführen, darin, Wärme irgendwie durch Arbeit abzuführen.

Isochore Prozesse sind nur einer von mehreren idealisierten thermodynamischen Prozessen, die das Verhalten von Gasen beschreiben, die für Wissenschaftler und Ingenieure nützlich sind.

Einige der anderen, die an anderer Stelle auf der Website ausführlicher besprochen werden, sind:

Isobarer Prozess: Dies geschieht bei konstantem Druck und ist in vielen Beispielen aus dem wirklichen Leben üblich, beispielsweise beim Kochen von Wasser auf einem Herd, beim Anzünden eines Streichholzes oder bei luftatmenden Düsenturbinen. Dies liegt daran, dass sich der Druck der Erdatmosphäre in einem lokalen Bereich, wie zum Beispiel in der Küche, in der jemand Pasta macht, meist nicht stark ändert. Unter der Annahme des idealen Gasgesetzes ist die Temperatur dividiert durch das Volumen ein konstanter Wert für einen isobaren Prozess.

Isothermer Prozess: Dies geschieht bei konstanter Temperatur. Beispielsweise ist die Temperatur während eines Phasenwechsels, wie z. B. Wasser, das von der Oberseite eines Topfes kocht, konstant. Auch Kühlschränke verwenden isotherme Prozesse und eine industrielle Anwendung ist der Carnot-Motor. Ein solcher Prozess ist langsam, weil die zugeführte Wärme gleich der als Arbeit verlorenen Wärme sein muss, um die Gesamttemperatur konstant zu halten. Unter der Annahme des idealen Gasgesetzes ist Druck mal Volumen ein konstanter Wert für einen isothermen Prozess.

Adiabatischer Prozess: Es findet kein Wärme- oder Stoffaustausch mit der Umgebung statt, da ein Gas oder eine Flüssigkeit das Volumen ändert. Stattdessen ist die einzige Ausgabe in einem adiabatischen Prozess Arbeit. Es gibt zwei Fälle, in denen ein adiabatischer Prozess auftreten kann. Entweder läuft der Prozess zu schnell ab, als dass Wärme in das gesamte System hinein oder aus ihm heraus transportiert werden könnte, z Verdichtungstakt eines Gasmotors, oder es passiert in einem Behälter, der so gut isoliert ist, dass die Hitze nicht durch die überhaupt Barriere.

Wie die anderen hier erläuterten thermodynamischen Prozesse ist kein Prozess wirklich adiabatisch, aber eine Annäherung an dieses Ideal ist in Physik und Ingenieurwesen nützlich. Eine gängige Charakterisierung für Kompressoren, Turbinen und andere thermodynamische Maschinen ist beispielsweise adiabat Effizienz: Das Verhältnis der tatsächlichen Arbeit, die die Maschine leistet, zu der Leistung, die sie bei einer echten adiabatischer Prozess.