Procesos isocóricos: definición, ecuación y ejemplos

El proceso isocórico es uno de varios procesos termodinámicos idealizados que describen cómo los estados de un gas ideal pueden sufrir cambios. Describe el comportamiento del gas en un recipiente cerrado a volumen constante. En esta situación, cuando se agrega energía, solo cambia la temperatura del gas; no trabaja en su entorno. Por lo tanto, ningún motor gira, ningún pistón se mueve y no se produce ninguna salida útil.

Un proceso isocórico (a veces llamado proceso isovolumétrico o isométrico) es un proceso termodinámico que ocurre a un volumen constante. Debido a que el volumen no cambia, la relación entre presión y temperatura mantiene un valor constante.

Esto se puede entender comenzando con la ley de los gases ideales:

PV = nRT

Dónde PAG es la presión absoluta del gas, V es el volumen, norte es la cantidad de gas, R es la constante del gas ideal (8,31 J / mol K), y T es la temperatura.

Cuando el volumen se mantiene constante, esta ley se puede reorganizar para mostrar que la razón de PAG a T también debe ser una constante:

Esta expresión matemática de la relación entre presión y temperatura se conoce como Ley de Gay-Lussac, llamado así por el químico francés que lo inventó a principios del siglo XIX. Otro resultado de esta ley, que a veces también se denomina ley de presión, es la capacidad de predecir temperaturas y presiones para gases ideales sometidos a procesos isocóricos utilizando la siguiente ecuación:

Dónde PAG₁ y T₁ son la presión y temperatura iniciales del gas, y PAG₂ y T₂ son los valores finales.

En un gráfico de presión versus temperatura, o un diagrama PV, un proceso isocórico se representa mediante una línea vertical.

Teflón (PTFE), la sustancia no reactiva y más resbaladiza del planeta con aplicaciones en muchos industrias desde la aeroespacial hasta la cocina, fue un descubrimiento accidental que resultó de una isocórica proceso. En 1938, el químico de DuPont Roy Plunkett había instalado un montón de pequeños cilindros para almacenar gas tetrafluoroetileno, para su uso en tecnologías de refrigeración, que luego enfrió a una temperatura extremadamente baja temperatura.

Cuando Plunkett fue a abrir uno más tarde, no salió gas, aunque la masa del cilindro no había cambiado. Abrió el tubo para investigar y vio un polvo blanco que cubría el interior, que más tarde demostró tener propiedades comerciales inmensamente útiles.

De acuerdo con la ley de Gay-Lussac, cuando la temperatura disminuyó rápidamente, también lo hizo la presión para iniciar un cambio de fase en el gas.

La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual al calor agregado al sistema menos el trabajo realizado por el sistema. (En otras palabras, la entrada de energía menos la producción de energía).

El trabajo realizado por un gas ideal se define como su presión multiplicada por su cambio de volumen, o PΔV (o PdV). Porque el volumen cambia ΔV, es cero en un proceso isocórico, sin embargo, el gas no realiza ningún trabajo.

Por lo tanto, el cambio en la energía interna del gas es simplemente igual a la cantidad de calor agregada.

Un ejemplo de por poco El proceso isocórico es una olla a presión. Cuando se cierra herméticamente cerrado, el volumen interior no puede cambiar, por lo que cuando se agrega calor, tanto la presión como la temperatura aumentan rápidamente. En realidad, las ollas a presión se expanden ligeramente y se libera algo de gas desde una válvula en la parte superior.

Los motores térmicos son dispositivos que aprovechan la transferencia de calor para realizar algún tipo de trabajo. Usan un sistema cíclico para convertir la energía térmica que se les agrega en energía mecánica o movimiento. Los ejemplos incluyen turbinas de vapor y motores de automóviles.

Los procesos isocóricos se utilizan en muchos motores térmicos comunes. La Ciclo Otto, por ejemplo, es un ciclo termodinámico en motores de automóviles que describe el proceso de transferencia de calor durante el encendido, la carrera de potencia mover los pistones del motor para hacer que el automóvil funcione, la liberación de calor y la carrera de compresión devolviendo los pistones a su arranque posiciones.

En el ciclo de Otto, el primer y tercer paso, la adición y liberación de calor, se consideran procesos isocóricos. El ciclo asume que los cambios de calor ocurren instantáneamente, sin cambios en el volumen del gas. Por lo tanto, el trabajo solo se realiza en el vehículo durante las fases de potencia y carrera de compresión.

El trabajo realizado por una máquina térmica que utiliza el ciclo Otto está representado por el área bajo la curva en el diagrama. Esto es cero donde ocurren los procesos isocóricos de adición y liberación de calor (las líneas verticales).

Los procesos isocóricos como estos son generalmente procesos irreversibles. Una vez que se agrega calor, la única forma de devolver el sistema a su estado original es eliminar el calor de alguna manera haciendo el trabajo.

Los procesos isocóricos son solo uno de varios procesos termodinámicos idealizados que describen el comportamiento de gases útiles para científicos e ingenieros.

Algunos de los otros discutidos con más detalle en otras partes del sitio incluyen:

Proceso isobárico: Esto ocurre a una presión constante y es común en muchos ejemplos de la vida real, como hervir agua en una estufa, encender un fósforo o en turbinas de chorro que respiran aire. Esto se debe, en su mayor parte, a que la presión de la atmósfera terrestre no está cambiando mucho en un área local, como la cocina en la que alguien está haciendo pasta. Suponiendo que se aplique la ley de los gases ideales, la temperatura dividida por el volumen es un valor constante para un proceso isobárico.

Proceso isotermo: Esto ocurre a temperatura constante. Por ejemplo, durante un cambio de fase, como el agua hirviendo de la parte superior de una olla, la temperatura es constante. Los refrigeradores también utilizan procesos isotérmicos y una aplicación industrial es el motor Carnot. Este proceso es lento porque el calor agregado debe ser igual al calor perdido como trabajo para mantener constante la temperatura general. Suponiendo que se aplique la ley de los gases ideales, la presión multiplicada por el volumen es un valor constante para un proceso isotérmico.

Proceso adiabático: No hay intercambio de calor o material con el entorno ya que un gas o fluido cambia de volumen. En cambio, la única salida en un proceso adiabático es el trabajo. Hay dos casos en los que puede ocurrir un proceso adiabático. O bien, el proceso ocurre demasiado rápido para que el calor se transfiera dentro o fuera de todo el sistema, como durante la carrera de compresión de un motor de gas, o ocurre en un recipiente que está tan bien aislado que el calor no puede atravesar el barrera en absoluto.

Como los otros procesos termodinámicos explicados aquí, ningún proceso es verdaderamente adiabático, pero aproximarse a este ideal es útil en física e ingeniería. Por ejemplo, una caracterización común para compresores, turbinas y otras máquinas termodinámicas es adiabática. eficiencia: La relación entre el trabajo real que produce la máquina y la cantidad de trabajo que produciría si se sometiera a un verdadero proceso adiabático.