Αρκετές εξιδανικευμένες θερμοδυναμικές διεργασίες περιγράφουν πώς οι καταστάσεις ενός ιδανικού αερίου μπορούν να υποστούν αλλαγές. Η ισοβαρική διαδικασία είναι μόνο μία από αυτές.
Τι είναι η Μελέτη της Θερμοδυναμικής;
Η θερμοδυναμική είναι η μελέτη των αλλαγών που συμβαίνουν στα συστήματα λόγω της μεταφοράς θερμικής ενέργειας (θερμική ενέργεια). Κάθε φορά που δύο συστήματα διαφορετικής θερμοκρασίας έρχονται σε επαφή μεταξύ τους, η θερμική ενέργεια θα μεταφέρεται από το θερμότερο σύστημα στο ψυχρότερο σύστημα.
Πολλές διαφορετικές μεταβλητές επηρεάζουν τον τρόπο με τον οποίο συμβαίνει αυτή η μεταφορά θερμότητας. Οι μοριακές ιδιότητες των εμπλεκόμενων υλικών επηρεάζουν το πόσο γρήγορα και εύκολα η θερμική ενέργεια μπορεί να κινηθεί από το ένα σύστημα στο άλλο παράδειγμα, και η ειδική θερμική ικανότητα (η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την αύξηση της μάζας μονάδας κατά 1 βαθμό Κελσίου) επηρεάζει το τελικό αποτέλεσμα θερμοκρασίες.
Όσον αφορά τα αέρια, εμφανίζονται πολύ περισσότερα ενδιαφέροντα φαινόμενα όταν μεταφέρεται θερμική ενέργεια. Τα αέρια είναι σε θέση να διαστέλλονται και να συστέλλονται σημαντικά και ο τρόπος με τον οποίο εξαρτάται εξαρτάται από το δοχείο στο οποίο είναι περιορισμένα, την πίεση του συστήματος και τη θερμοκρασία. Η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας των αερίων είναι επομένως σημαντική για την κατανόηση της θερμοδυναμικής.
Κινητική θεωρία και μεταβλητές κατάστασης
Η κινητική θεωρία παρέχει έναν τρόπο μοντελοποίησης ενός αερίου έτσι ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί η στατιστική μηχανική, με αποτέλεσμα να είναι σε θέση να ορίσει ένα σύστημα μέσω ενός συνόλου μεταβλητών κατάστασης.
Σκεφτείτε τι είναι ένα αέριο: μια δέσμη μορίων που είναι σε θέση να κινούνται ελεύθερα μεταξύ τους. Για να κατανοήσουμε ένα αέριο, είναι λογικό να εξετάσουμε τα πιο βασικά συστατικά του - τα μόρια. Αλλά δεν προκαλεί έκπληξη, αυτό γίνεται δυσκίνητο πολύ γρήγορα. Φανταστείτε τον τεράστιο αριθμό μορίων σε ένα ποτήρι γεμάτο αέρα για παράδειγμα. Δεν υπάρχει υπολογιστής αρκετά ισχυρός για να παρακολουθείτε τις αλληλεπιδράσεις πολλών σωματιδίων μεταξύ τους.
Αντ 'αυτού, μοντελοποιώντας το αέριο ως μια συλλογή σωματιδίων που υποβάλλονται σε τυχαία κίνηση, μπορείτε να ξεκινήσετε για να κατανοήσουμε τη συνολική εικόνα σε όρους ρίζας μέσης τετραγωνικής ταχύτητας των σωματιδίων, για παράδειγμα. Γίνεται βολικό να αρχίσετε να μιλάτε για τη μέση κινητική ενέργεια των μορίων αντί να αναγνωρίζετε την ενέργεια που σχετίζεται με κάθε μεμονωμένο σωματίδιο.
Αυτές οι ποσότητες οδηγούν στην ικανότητα καθορισμού μεταβλητών κατάστασης, οι οποίες είναι ποσότητες που περιγράφουν την κατάσταση ενός συστήματος. Οι κύριες μεταβλητές κατάστασης που συζητούνται εδώ θα είναι η πίεση (η δύναμη ανά μονάδα περιοχής), ο όγκος (το ποσό του χώρου που καταλαμβάνει το αέριο) και τη θερμοκρασία (που είναι ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας ανά μόριο). Μελετώντας πώς αυτές οι μεταβλητές κατάστασης σχετίζονται μεταξύ τους, μπορείτε να κατανοήσετε τις θερμοδυναμικές διεργασίες σε μακροσκοπική κλίμακα.
Ο νόμος του Καρόλου και ο νόμος περί ιδανικού αερίου
Ένα ιδανικό αέριο είναι ένα αέριο στο οποίο γίνονται οι ακόλουθες παραδοχές:
Τα μόρια μπορούν να υποστούν κατεργασία σαν σωματίδια σημείου, χωρίς να καταλαμβάνουν χώρο. (Για να συμβεί αυτό, δεν επιτρέπεται υψηλή πίεση ή τα μόρια θα γίνουν αρκετά κοντά ώστε οι όγκοι τους να είναι σχετικοί.)
Οι διαμοριακές δυνάμεις και οι αλληλεπιδράσεις είναι αμελητέες. (Η θερμοκρασία δεν μπορεί να είναι πολύ χαμηλή για να συμβεί αυτό. Όταν η θερμοκρασία είναι πολύ χαμηλή, οι διαμοριακές δυνάμεις αρχίζουν να παίζουν έναν σχετικά μεγαλύτερο ρόλο.)
Τα μόρια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και τα τοιχώματα του δοχείου σε τέλεια ελαστικές συγκρούσεις. (Αυτό επιτρέπει την υπόθεση της διατήρησης της κινητικής ενέργειας.)
Μόλις γίνουν αυτές οι υποθέσεις, ορισμένες σχέσεις γίνονται εμφανείς. Μεταξύ αυτών είναι ο ιδανικός νόμος για το φυσικό αέριο, ο οποίος εκφράζεται σε μορφή εξίσωσης ως:
PV = nRT = NkT
ΟπουΠείναι πίεση,Βείναι όγκος,Τείναι θερμοκρασία,νείναι ο αριθμός των γραμμομορίων,Νείναι ο αριθμός των μορίων,Ρείναι η καθολική σταθερά αερίου,κείναι η σταθερά Boltzmann καιnR = Nk.
Σχετικά στενά με τον ιδανικό νόμο για το φυσικό αέριο είναι ο νόμος του Καρόλου, ο οποίος αναφέρει ότι, για σταθερή πίεση, ο όγκος και η θερμοκρασία είναι άμεσα ανάλογες, ήV / Τ= σταθερά.
Τι είναι μια ισοβαρική διαδικασία;
Μια ισοβαρική διαδικασία είναι μια θερμοδυναμική διαδικασία που λαμβάνει χώρα σε σταθερή πίεση. Σε αυτό το βασίλειο, ο νόμος του Καρόλου εφαρμόζεται αφού η πίεση διατηρείται σταθερή.
Οι τύποι διεργασιών που μπορούν να συμβούν όταν η πίεση διατηρείται σταθερή περιλαμβάνουν ισοβαρική επέκταση, στην οποία ο όγκος αυξάνεται ενώ η θερμοκρασία μειώνεται και ισοβαρική συστολή, στην οποία ο όγκος μειώνεται ενώ η θερμοκρασία αυξάνεται.
Εάν έχετε μαγειρέψει ποτέ ένα γεύμα με φούρνο μικροκυμάτων που απαιτεί να κόψετε ένα εξαερισμό στο πλαστικό πριν το βάλετε στο φούρνο μικροκυμάτων, αυτό οφείλεται στην ισοβαρική επέκταση. Μέσα στο φούρνο μικροκυμάτων, η πίεση μέσα και έξω από το πλαστικό κάλυμμα φαγητού είναι πάντα η ίδια και πάντα σε ισορροπία. Αλλά καθώς το φαγητό μαγειρεύεται και θερμαίνεται, ο αέρας στο εσωτερικό του δίσκου διογκώνεται ως αποτέλεσμα της αύξησης της θερμοκρασίας. Εάν δεν υπάρχει διαθέσιμο άνοιγμα, το πλαστικό μπορεί να διογκωθεί μέχρι το σημείο που εκραγεί.
Για ένα γρήγορο πείραμα ισοβαρικής συμπίεσης στο σπίτι, τοποθετήστε ένα διογκωμένο μπαλόνι στην κατάψυξη σας. Και πάλι, η πίεση μέσα και έξω από το μπαλόνι θα είναι πάντα σε ισορροπία. Αλλά καθώς ο αέρας στο μπαλόνι κρυώνει, θα συρρικνωθεί ως αποτέλεσμα.
Εάν σε οποιοδήποτε δοχείο βρίσκεται το αέριο, είναι ελεύθερο να διαστέλλεται και να συστέλλεται και η εξωτερική πίεση παραμένει σταθερή, τότε οποιαδήποτε Η διαδικασία θα είναι ισοβαρική επειδή οποιαδήποτε διαφορά στις πιέσεις θα προκαλούσε διαστολή ή συστολή έως ότου αυτή η διαφορά επιλυθεί.
Ισοβαρικές διεργασίες και ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής
Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής αναφέρει ότι η αλλαγή στην εσωτερική ενέργειαΕενός συστήματος ισούται με τη διαφορά μεταξύ της ποσότητας θερμικής ενέργειας που προστίθεται στο σύστημαΕρκαι καθαρή εργασία από το σύστημαΔ. Σε μορφή εξίσωσης, αυτό είναι:
\ Delta U = Q - Δ
Θυμηθείτε ότι η θερμοκρασία ήταν η μέση κινητική ενέργεια ανά μόριο. Η συνολική εσωτερική ενέργεια είναι τότε το άθροισμα των κινητικών ενεργειών όλων των μορίων (με ένα ιδανικό αέριο, οι πιθανές ενέργειες θεωρούνται αμελητέες). Ως εκ τούτου, η εσωτερική ενέργεια του συστήματος είναι άμεσα ανάλογη με τη θερμοκρασία. Επειδή ο ιδανικός νόμος αερίου σχετίζεται με την πίεση και τον όγκο με τη θερμοκρασία, η εσωτερική ενέργεια είναι επίσης ανάλογη με το προϊόν της πίεσης και του όγκου.
Έτσι, εάν προστεθεί θερμική ενέργεια στο σύστημα, η θερμοκρασία αυξάνεται όπως και η εσωτερική ενέργεια. Εάν το σύστημα λειτουργεί στο περιβάλλον, τότε αυτή η ποσότητα ενέργειας χάνεται στο περιβάλλον και η θερμοκρασία και η εσωτερική ενέργεια μειώνεται.
Σε ένα φωτοβολταϊκό διάγραμμα (γράφημα πίεσης έναντι τόμος), μια ισοβαρική διαδικασία μοιάζει με ένα γράφημα οριζόντιας γραμμής. Δεδομένου ότι η ποσότητα της εργασίας που πραγματοποιείται κατά τη διάρκεια μιας θερμοδυναμικής διαδικασίας είναι ίση με την περιοχή κάτω από την καμπύλη ΦΒ, η εργασία που γίνεται σε μια ισοβαρική διαδικασία είναι απλά:
W = P \ Δέλτα V
Ισοβαρικές διεργασίες σε θερμικούς κινητήρες
Οι κινητήρες θερμότητας μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια μέσω ενός πλήρους κύκλου κάποιου είδους. Αυτό συνήθως απαιτεί ένα σύστημα να επεκταθεί σε κάποιο σημείο κατά τη διάρκεια του κύκλου προκειμένου να κάνει δουλειά και να μεταδώσει ενέργεια σε κάτι εξωτερικό.
Εξετάστε ένα παράδειγμα στο οποίο μια φιάλη Erlenmeyer συνδέεται μέσω πλαστικής σωλήνωσης σε μια γυάλινη σύριγγα. Περιορισμένος σε αυτό το σύστημα είναι μια σταθερή ποσότητα αέρα. Εάν το έμβολο της σύριγγας είναι ελεύθερο να γλιστρήσει, ενεργώντας ως κινητό έμβολο, τότε τοποθετώντας τη φιάλη σε θερμόλουτρο (μια μπανιέρα ζεστού νερού), ο αέρας θα διογκωθεί και θα σηκώσει το έμβολο, κάνοντας δουλειά.
Για να ολοκληρωθεί ο κύκλος μιας τέτοιας μηχανής θερμότητας, η φιάλη πρέπει να τοποθετηθεί σε κρύο λουτρό έτσι ώστε η σύριγγα να μπορεί να επιστρέψει στην αρχική της κατάσταση. Μπορείτε να προσθέσετε ένα επιπλέον βήμα για να χρησιμοποιήσετε το έμβολο για να ανυψώσετε μια μάζα ή να κάνετε κάποια άλλη μορφή μηχανικής εργασίας καθώς κινείται.
Άλλες θερμοδυναμικές διεργασίες
Άλλες διαδικασίες που συζητούνται λεπτομερέστερα σε άλλα άρθρα περιλαμβάνουν:
Ισόθερμοςδιεργασίες, στις οποίες η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή. Σε σταθερή θερμοκρασία, η πίεση είναι αντιστρόφως ανάλογη προς τον όγκο και η ισοθερμική συμπίεση οδηγεί σε αύξηση της πίεσης ενώ η ισοθερμική διαστολή οδηγεί σε μείωση της πίεσης.
Σε έναισοχορικήδιαδικασία, ο όγκος του αερίου διατηρείται σταθερός (το δοχείο που συγκρατεί το αέριο διατηρείται άκαμπτο και δεν μπορεί να διασταλεί ή να συστέλλεται). Εδώ η πίεση είναι τότε ανάλογη της θερμοκρασίας. Καμία εργασία δεν μπορεί να γίνει πάνω ή από το σύστημα, καθώς η ένταση δεν αλλάζει.
Σε ένααδιαβατικόςδιαδικασία, δεν ανταλλάσσεται θερμότητα με το περιβάλλον. Από την άποψη του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής, αυτό σημαίνειΕρ= 0, επομένως οποιαδήποτε αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια αντιστοιχεί άμεσα σε εργασίες που πραγματοποιούνται στο ή από το σύστημα.
