Procesos isotérmicos: definición, fórmula y ejemplos

Comprender qué son los diferentes procesos termodinámicos y cómo se usa la primera ley de la termodinámica con cada uno es crucial cuando comienza a considerar los motores térmicos y los ciclos de Carnot.

Muchos de los procesos están idealizados, por lo que si bien no reflejan con precisión cómo ocurren las cosas en el mundo real, son aproximaciones útiles que simplifican los cálculos y hacen que sea más fácil dibujar conclusiones. Estos procesos idealizados describen cómo los estados de un gas ideal pueden sufrir cambios.

El proceso isotérmico es solo un ejemplo, y el hecho de que ocurre a una sola temperatura por definición simplifica drásticamente el trabajo con la primera ley de la termodinámica cuando se calculan cosas como motor térmico Procesos.

Un proceso isotérmico es un proceso termodinámico que ocurre a una temperatura constante. El beneficio de trabajar a una temperatura constante y con un gas ideal es que puede usar la ley de Boyle y la ley del gas ideal para relacionar la presión y el volumen. Ambas expresiones (ya que la ley de Boyle es una de las varias leyes que se incorporaron a la ley de los gases ideales) muestran una relación inversa entre presión y volumen. La ley de Boyle implica que:

Donde los subíndices denotan la presión (PAG) y volumen (V) en el momento 1 y la presión y el volumen en el momento 2. La ecuación muestra que si el volumen se duplica, por ejemplo, la presión debe reducirse a la mitad para mantener la ecuación equilibrada, y viceversa. La ley completa de los gases ideales es

dóndenortees el número de moles del gas,Res la constante universal de los gases yTes la temperatura. Con una cantidad fija de gas y una temperatura fija,PVdebe tomar un valor constante, lo que conduce al resultado anterior.

En un diagrama de presión-volumen (PV), que es un gráfico de presión vs. volumen utilizado a menudo para procesos termodinámicos, un proceso isotérmico se parece a la gráfica dey​ = 1/​X, curvándose hacia abajo hacia su valor mínimo.

Un punto que a menudo confunde a las personas es la distinción entreisotermovs.adiabático, pero dividir la palabra en dos partes puede ayudarte a recordar esto. "Iso" significa igual y "térmico" se refiere al calor de algo (es decir, su temperatura), por lo que "isotérmico" significa literalmente "a la misma temperatura". Los procesos adiabáticos no involucran calortransferir, pero la temperatura del sistema a menudo cambia durante ellos.

La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía interna (∆U) para un sistema es igual al calor agregado al sistema (Q) menos el trabajo realizado por el sistema (W), o en símbolos:

Cuando se trata de un proceso isotérmico, puede utilizar el hecho de que la energía interna es directamente proporcional a la temperatura junto con esta ley para sacar una conclusión útil. La energía interna de un gas ideal es:

Esto significa que para una temperatura constante, tienes una energía interna constante. Así que con∆U= 0, la primera ley de la termodinámica se puede reorganizar fácilmente para:

O, en palabras, el calor agregado al sistema es igual al trabajo realizado por el sistema, lo que significa que el calor agregado se usa para hacer el trabajo. Por ejemplo, en la expansión isotérmica, se agrega calor al sistema, lo que hace que se expanda, trabajando en el medio ambiente sin perder energía interna. En una compresión isotérmica, el medio ambiente funciona en el sistema y hace que el sistema pierda esta energía en forma de calor.

Los motores térmicos utilizan un ciclo completo de procesos termodinámicos para convertir la energía térmica en energía mecánica, generalmente moviendo un pistón a medida que se expande el gas del motor térmico. Los procesos isotérmicos son una parte clave de este ciclo, y la energía térmica agregada se convierte completamente en trabajo sin ninguna pérdida.

Sin embargo, se trata de un proceso muy idealizado, porque en la práctica siempre se perderá algo de energía cuando la energía térmica se convierta en trabajo. Para que funcione en realidad, necesitaría una cantidad infinita de tiempo para que el sistema pudiera permanecer en equilibrio térmico con su entorno en todo momento.

Los procesos isotérmicos se consideran procesos reversibles, porque si ha completado un proceso (por ejemplo, un isotermo expansión) puede ejecutar el mismo proceso en reversa (una compresión isotérmica) y devolver el sistema a su estado original Expresar. En esencia, puede ejecutar el mismo proceso hacia adelante o hacia atrás en el tiempo sin romper ninguna ley de la física.

Sin embargo, si intentara esto en la vida real, la segunda ley de la termodinámica significaría que hubo un aumento en entropía durante el proceso "hacia adelante", por lo que el "hacia atrás" no devolvería completamente el sistema a su estado original Expresar.

Si traza un proceso isotérmico en un diagrama PV, el trabajo realizado durante el proceso es igual al área bajo la curva. Si bien puede calcular el trabajo realizado de manera isotérmica de esta manera, a menudo es más fácil usar la primera ley de la termodinámica y el hecho de que el trabajo realizado es igual al calor agregado al sistema.

Si está haciendo cálculos para un proceso isotérmico, hay un par de otras ecuaciones que puede usar para encontrar el trabajo realizado. El primero de ellos es:

DóndeV​_F es el volumen final yV​_I es el volumen inicial. Usando la ley de los gases ideales, puede sustituir la presión y el volumen iniciales (PAG​_I yV​_I) Para elnRTen esta ecuación para obtener:

En la mayoría de los casos puede resultar más fácil trabajar con el calor agregado, pero si solo tiene información sobre la presión, el volumen o la temperatura, una de estas ecuaciones podría simplificar el problema. Dado que el trabajo es una forma de energía, su unidad es el joule (J).

Hay muchos otros procesos termodinámicos, y muchos de ellos pueden clasificarse de manera similar a los procesos isotérmicos, excepto que las cantidades distintas de la temperatura son constantes en todo momento. Un proceso isobárico es aquel que ocurre a presión constante, por lo que la fuerza que se ejerce sobre las paredes del recipiente es constante y el trabajo realizado está dado porW​ = ​P∆V​.

Para el gas que experimenta expansión isobárica, es necesario que haya transferencia de calor para mantener la presión constante, y este calor cambia la energía interna del sistema además de realizar el trabajo.

Un proceso isocórico tiene lugar a volumen constante. Esto le permite hacer una simplificación en la primera ley de la termodinámica, porque si el volumen es constante, el sistema no puede trabajar en el medio ambiente. Como resultado, el cambio en la energía interna del sistema se debe completamente al calor transferido.

Un proceso adiabático es aquel que ocurre sin intercambio de calor entre el sistema y el medio ambiente. Sin embargo, esto no significa que no haya cambios de temperatura en el sistema, ya que el proceso podría provocar un aumento o una disminución de la temperatura sin transferencia directa de calor. Sin embargo, sin transferencia de calor, la primera ley muestra que cualquier cambio en la energía interna debe deberse al trabajo realizado en el sistema o por el sistema, ya que estableceQ= 0 en la ecuación.