Isokoorinen prosessi on yksi monista idealisoiduista termodynaamisista prosesseista, jotka kuvaavat kuinka ihanteellisen kaasun tilat voivat muuttua. Se kuvaa kaasun käyttäytymistä suljetussa säiliössä vakiotilavuudella. Tässä tilanteessa, kun energiaa lisätään, vain kaasun lämpötila muuttuu; se ei toimi ympäristössä. Joten moottorit eivät pyöri, mäntiä ei liiku eikä hyödyllistä lähtöä tapahdu.
Mikä on isokoorinen prosessi?
Isokoorinen prosessi (jota joskus kutsutaan isovolumetriseksi tai isometriseksi prosessiksi) on termodynaaminen prosessi, joka tapahtuu vakiotilavuudella. Koska tilavuus ei muutu, paineen ja lämpötilan välinen suhde ylläpitää vakioarvoa.
Tämä voidaan ymmärtää aloittamalla ihanteellisesta kaasulakista:
PV = nRT
Missä P on kaasun absoluuttinen paine, V on äänenvoimakkuus, n on kaasun määrä, R on ihanteellinen kaasuvakio (8,31 J / mol K) ja T on lämpötila.
Kun äänenvoimakkuutta pidetään vakiona, tämä laki voidaan järjestää uudelleen osoittamaan, että suhde P että T on oltava myös vakio:
\ frac {P} {T} = \ teksti {vakio}
Tämä matemaattinen ilmaus paineen ja lämpötilan välisestä suhteesta tunnetaan nimellä Gay-Lussacin laki, niin nimetty ranskalaiselle kemialle, joka keksi sen 1800-luvun alussa. Toinen tämän lain tulos, jota joskus kutsutaan myös painelakiksi, on kyky ennustaa lämpötilat ja paineet ihanteellisille isokhorisissa prosesseissa käytetyille kaasuille seuraavalla yhtälöllä:
\ frac {P_1} {T_1} = \ frac {P_2} {T_2}
Missä P1 ja T1 ovat kaasun alkupaine ja lämpötila, ja P2 ja T2 ovat lopulliset arvot.
Paineen ja lämpötilan kuvaajassa tai PV-kaaviossa isokoorista prosessia edustaa pystysuora viiva.
Teflon (PTFE), maapallolla reagoimaton, liukaisin aine, jota on sovellettu moniin teollisuudesta ilmailu- ja avaruusteollisuudesta ruoanlaittoon, oli vahingollinen löytö, joka johtui isokoorisesta prosessi. Vuonna 1938 DuPontin kemisti Roy Plunkett oli asettanut joukon pieniä sylintereitä varastoitavaksi tetrafluorietyleenikaasu, käytettäväksi jäähdytystekniikoissa, jonka hän sitten jäähdytti äärimmäisen matala lämpötila.
Kun Plunkett meni avautumaan myöhemmin, kaasua ei tullut ulos, vaikka sylinterin massa ei ollut muuttunut. Hän katkaisi putken tutkiakseen ja näki valkoisen jauheen päällystävän sisäpuolen, jolla myöhemmin osoittautui olevan erittäin hyödyllisiä kaupallisia ominaisuuksia.
Gay-Lussacin lain mukaan lämpötilan laskiessa nopeasti myös paine aloittaa vaihemuutos kaasussa.
Isokooriset prosessit ja ensimmäinen termodynamiikan laki
Ensimmäisessä termodynamiikan laissa todetaan, että järjestelmän sisäisen energian muutos on yhtä suuri kuin järjestelmään lisätty lämpö miinus järjestelmän tekemä työ. (Toisin sanoen energian syöttö miinus energian tuotos.)
Ihanteellisen kaasun tekemä työ määritellään sen paine kerrottuna tilavuuden muutoksella tai PΔV (tai PdV). Koska äänenvoimakkuus muuttuu ΔV on isokoorisessa prosessissa nolla, mutta kaasu ei tee mitään työtä.
Siksi kaasun sisäisen energian muutos on yksinkertaisesti yhtä suuri kuin lisätyn lämmön määrä.
Esimerkki a lähes isokoorinen prosessi on painekattila. Suljettuna suljettuna tilavuus sisällä ei voi muuttua, joten kun lämpöä lisätään, sekä paine että lämpötila nousevat nopeasti. Todellisuudessa painekattilat laajenevat hieman ja jonkin verran kaasua vapautuu ylhäältä olevasta venttiilistä.
Isokoriset prosessit lämpökoneissa
Lämpömoottorit ovat laitteita, jotka hyödyntävät lämmönsiirtoa jonkinlaisen työn tekemiseen. He käyttävät syklistä järjestelmää muuttaakseen niihin lisätyn lämpöenergian mekaaniseksi energiaksi tai liikkeeksi. Esimerkkejä ovat höyryturbiinit ja automoottorit.
Isokoorisia prosesseja käytetään monissa tavallisissa lämpömoottoreissa. Otto CycleEsimerkiksi on autojen moottoreiden termodynaaminen sykli, joka kuvaa lämmönsiirtoprosessia sytytyksen aikana, tehoiskua moottorin mäntien liikuttaminen auton liikkeelle saamiseksi, lämmön vapautuminen ja puristusiskun palauttavat männät käynnistykseen paikoissa.
Otto-syklissä ensimmäistä ja kolmatta vaihetta, lämmön lisäämistä ja vapauttamista, pidetään isokoorisina prosesseina. Sykli olettaa, että lämmönmuutokset tapahtuvat hetkessä ilman muutoksia kaasun tilavuudessa. Siten ajoneuvoa työstetään vain teho- ja puristusiskuvaiheissa.
Lämpömoottorin työ Otto-syklin avulla on esitetty kaavion käyrän alla olevalla alueella. Tämä on nolla, kun lämmönlisäys- ja vapautumisprosesseja tapahtuu (pystyviivat).
Tällaiset isokooriset prosessit ovat yleensä peruuttamattomia prosesseja. Kun lämpöä on lisätty, ainoa tapa palauttaa järjestelmä alkuperäiseen tilaan on poistaa lämpö jotenkin tekemällä työtä.
Muut termodynaamiset prosessit
Isokooriset prosessit ovat vain yksi monista idealisoiduista termodynaamisista prosesseista, jotka kuvaavat tutkijoille ja insinööreille hyödyllisiä kaasujen käyttäytymistä.
Jotkut muut, joista keskustellaan yksityiskohtaisemmin muualla sivustolla, ovat:
Isobaarinen prosessi: Tämä tapahtuu tasaisessa paineessa ja on yleistä monissa tosielämän esimerkeissä, kuten veden kiehuminen liedellä, ottelun sytyttäminen tai ilmaa hengittävät suihkuturbiinit. Tämä johtuu siitä, että pääosin maapallon ilmakehän paine ei muutu paljon paikallisella alueella, kuten keittiössä, jossa joku valmistaa pastaa. Jos oletetaan soveltuvan ihanteelliseen kaasulakiin, lämpötila jaettuna tilavuudella on isobaarisen prosessin vakioarvo.
Isoterminen prosessi: Tämä tapahtuu vakiolämpötilassa. Esimerkiksi vaihemuutoksen aikana, kuten veden kiehumisessa kattilan yläosasta, lämpötila on tasainen. Jääkaapit käyttävät myös isotermisiä prosesseja ja teollinen sovellus on Carnot Engine. Tällainen prosessi on hidas, koska lisätyn lämmön on oltava yhtä suuri kuin työssä menetetty lämpö, jotta kokonaislämpötila pysyy vakiona. Jos oletetaan soveltuvan ihanteelliseen kaasulakiin, paine kertaa tilavuus on vakioarvo isotermiselle prosessille.
Adiabaattinen prosessi: Lämpöä tai materiaalia ei vaihdeta ympäristön kanssa, kun kaasu tai neste muuttaa tilavuutta. Sen sijaan ainoa tulos adiabaattisessa prosessissa on työ. Adiabaattista prosessia voi esiintyä kahdessa tapauksessa. Joko prosessi tapahtuu liian nopeasti lämmön siirtymiseksi sisään tai ulos koko järjestelmästä, esimerkiksi kaasumoottorin puristusisku, tai se tapahtuu säiliössä, joka on niin hyvin eristetty lämpö, ei voi ylittää este lainkaan.
Kuten muutkin tässä selitetyt termodynaamiset prosessit, mikään prosessi ei ole todella adiabaattinen, mutta lähentäminen tähän ihanteeseen on hyödyllistä fysiikassa ja tekniikassa. Esimerkiksi kompressorien, turbiinien ja muiden termodynaamisten koneiden yhteinen karakterisointi on adiabaattinen tehokkuus: Koneen tosiasiallisen työn suhde siihen, kuinka paljon työtä se antaisi, jos se olisi totta adiabaattinen prosessi.