Isokoorne protsess on üks paljudest idealiseeritud termodünaamilistest protsessidest, mis kirjeldavad, kuidas ideaalse gaasi olekud võivad muutuda. See kirjeldab gaasi käitumist suletud mahutis konstantse mahuga. Selles olukorras muutub energia lisamisel ainult gaasi temperatuur; see ei tee oma ümbruskonnas tööd. Nii et ükski mootor ei pöördu, kolvid ei liigu ja kasulikku väljundit ei juhtu.
Mis on isohoorne protsess?
Isokoorne protsess (mida mõnikord nimetatakse isovolumetriliseks või isomeetriliseks protsessiks) on termodünaamiline protsess, mis toimub püsiva helitugevusega. Kuna maht ei muutu, säilitab rõhu ja temperatuuri suhe püsiva väärtuse.
Seda saab mõista, alustades ideaalsest gaasiseadusest:
PV = nRT
Kus P on gaasi absoluutrõhk, V on maht, n on gaasi kogus, R on ideaalne gaasikonstant (8,31 J / mol K) ja T on temperatuur.
Kui helitugevust hoitakse konstantsena, saab seda seadust ümber korraldada, et näidata, et suhe P kuni T peab olema ka konstant:
\ frac {P} {T} = \ tekst {konstant}
See rõhu ja temperatuuri suhte matemaatiline väljendus on tuntud kui Gay-Lussaci seadus, nii nimetatud prantsuse keemikule, kes selle 1800. aastate alguses välja mõtles. Selle seaduse, mida mõnikord nimetatakse ka surveseaduseks, teine tulemus on võime ennustada isokoorseid protsesse läbivate ideaalsete gaaside temperatuurid ja rõhud järgmise võrrandi abil:
\ frac {P_1} {T_1} = \ frac {P_2} {T_2}
Kus P1 ja T1 on gaasi esialgne rõhk ja temperatuur ning P2 ja T2 on lõplikud väärtused.
Rõhu ja temperatuuri graafikul või PV-diagrammil esindab isokoorset protsessi vertikaalne joon.
Teflon (PTFE), mis on mittereageeriv ja libeim aine planeedil ja mida kasutatakse paljudes valdkondades tööstuses alates kosmosest kuni toiduvalmistamiseni, oli juhuslik avastus, mis tulenes isokoorilisest ainest protsess. 1938. aastal oli DuPonti keemik Roy Plunkett ladustamiseks üles seadnud hulga väikesi silindreid tetrafluoroetüleengaas, kasutamiseks külmutustehnoloogiates, mille ta seejärel jahutas ülimalt madal temperatuur.
Kui Plunkett hiljem ühte avama läks, ei tulnud gaasi välja, kuigi silindri mass polnud muutunud. Ta tükeldas tuubi uurimiseks lahti ja nägi seest valget pulbrit, millel hiljem osutusid tohutult kasulikud kaubanduslikud omadused.
Gay-Lussaci seaduse kohaselt vähenes temperatuuri kiire languse korral ka rõhk gaasi faasimuutuse algatamiseks.
Isokoorsed protsessid ja esimene termodünaamika seadus
Termodünaamika esimene seadus ütleb, et süsteemi siseenergia muutus võrdub süsteemile lisatud soojusega, millest on lahutatud süsteemi tehtud töö. (Teisisõnu, sisendenergia miinus väljundenergia.)
Ideaalse gaasi töö on määratletud kui rõhu korrutamine mahu muutumisega ehk PΔV (või PdV). Sest helitugevus muutub ΔV on isokoorses protsessis null, kuid gaasiga tööd ei tehta.
Seega on gaasi siseenergia muutus lihtsalt võrdne lisatud soojushulgaga.
Näide a peaaegu isokoorne protsess on kiirkeetja. Suletud kujul ei saa sees olev maht muutuda, nii et soojuse lisamisel tõusevad nii rõhk kui ka temperatuur kiiresti. Tegelikult laienevad kiirkeedukatted veidi ja ülemisest klapist eraldub veidi gaasi.
Isofoorsed protsessid soojusmootorites
Soojusmootorid on seadmed, mis kasutavad soojuse ülekandmist mingisuguse töö tegemiseks. Nad kasutavad tsüklilist süsteemi, et muuta neile lisatud soojusenergia mehaaniliseks energiaks või liikumiseks. Näiteks võib tuua auruturbiinid ja automootorid.
Isokoorseid protsesse kasutatakse paljudes tavalistes soojusmootorites. The Otto tsikkelon näiteks automootorite termodünaamiline tsükkel, mis kirjeldab süüte ajal soojusülekande protsessi, jõu käiku mootori kolbide liigutamine, et auto käima saada, soojuse eraldumine ja survetaktiga kolvid tagasi positsioonid.
Otto tsüklis peetakse esimest ja kolmandat etappi, soojuse lisamist ja eraldamist isohoorseteks protsessideks. Tsükkel eeldab, et soojuse muutused toimuvad koheselt, muutmata gaasi mahus. Seega tehakse sõidukiga tööd ainult jõu- ja survetaktide faasis.
Soojusmasina Otto tsükli abil tehtud töö on diagrammil kujutatud kõvera all oleva alaga. See on null juhul, kui toimuvad soojuse lisamise ja eraldumise isokoorsed protsessid (vertikaalsed jooned).
Sellised isohoorsed protsessid on tavaliselt pöördumatud protsessid. Kui soojus on lisatud, on ainus viis süsteemi algsesse olekusse viimiseks soojuse eemaldamine kuidagi tööd tehes.
Muud termodünaamilised protsessid
Isofoorsed protsessid on vaid üks paljudest idealiseeritud termodünaamilistest protsessidest, mis kirjeldavad teadlastele ja inseneridele kasulike gaaside käitumist.
Mõned teised, mida on mujal saidil üksikasjalikumalt käsitletud, hõlmavad järgmist:
Isobaarne protsess: See juhtub püsiva rõhu all ja on tavaline paljudes tegelikes näidetes, sealhulgas vee keetmine pliidil, tiku süütamine või õhku hingavatel reaktiivturbiinidel. Seda seetõttu, et enamasti ei muutu Maa atmosfääri rõhk kohalikus piirkonnas, näiteks köögis, kus keegi pastat valmistab, palju. Eeldades, et ideaalne gaasiseadus kehtib, on temperatuur jagatud ruumalaga isobaarse protsessi konstantne väärtus.
Isotermiline protsess: See toimub püsival temperatuuril. Näiteks faasimuutuse ajal, näiteks poti otsast keeva vee korral, on temperatuur ühtlane. Külmikud kasutavad ka isotermilisi protsesse ja tööstuslik rakendus on Carnot Engine. Selline protsess on aeglane, kuna lisatemperatuur peab olema võrdne tööga kaotatud soojusega, et hoida üldist temperatuuri konstantsena. Eeldades, et ideaalne gaasiseadus kehtib, on rõhu ja mahu maht isotermilise protsessi konstantne väärtus.
Adiabaatiline protsess: Gaasi või vedeliku mahu muutmisel ümbrusega ei toimu soojus- ega materjalivahetust. Selle asemel on adiabaatilise protsessi ainus väljund töö. Adiabaatiline protsess võib esineda kahel juhul. Mõlemal juhul toimub protsess liiga kiiresti, et soojus saaks kogu süsteemi sisse või välja viia, näiteks gaasimootori survetakt või kui see juhtub mahutis, mis on nii hästi isoleeritud, ei saa soojus ületada tõke üldse.
Sarnaselt teiste siin selgitatud termodünaamikaprotsessidega pole ükski protsess tõeliselt adiabaatiline, kuid selle ideaali järgi lähenemine on kasulik füüsikas ja inseneritöös. Näiteks kompressorite, turbiinide ja muude termodünaamiliste masinate ühine iseloomustus on adiabaatiline efektiivsus: masina tegeliku töö suhe selle hulka, kui palju tööd see annaks, kui see oleks tõsi adiabaatiline protsess.