Processus isochores: définition, équation et exemples

Le processus isochore est l'un des nombreux processus thermodynamiques idéalisés qui décrivent comment les états d'un gaz parfait peuvent subir des changements. Il décrit le comportement du gaz dans un récipient fermé à volume constant. Dans cette situation, lorsque de l'énergie est ajoutée, seule la température du gaz change; il ne travaille pas sur son environnement. Ainsi, aucun moteur ne tourne, aucun piston ne bouge et aucune sortie utile ne se produit.

Un processus isochore (parfois appelé processus isovolumétrique ou isométrique) est un processus thermodynamique qui se produit à un volume constant. Comme le volume ne change pas, la relation entre la pression et la température maintient une valeur constante.

Cela peut être compris en partant de la loi des gaz parfaits :

PV = nRT

Où P est la pression absolue du gaz, V est le volume, m est la quantité de gaz, R est la constante des gaz parfaits (8,31 J/mol K), et T est la température.

Lorsque le volume est maintenu constant, cette loi peut être réarrangée pour montrer que le rapport de

Cette expression mathématique du rapport entre la pression et la température est connue sous le nom de La loi Gay-Lussac, ainsi nommé pour le chimiste français qui l'a inventé au début des années 1800. Un autre résultat de cette loi, parfois aussi appelée loi de pression, est la capacité de prédire températures et pressions pour les gaz parfaits soumis à des processus isochores en utilisant l'équation suivante :

Où P₁ et T₁ sont la pression et la température initiales du gaz, et P₂ et T₂ sont les valeurs finales.

Sur un graphique de pression en fonction de la température, ou un diagramme PV, un processus isochore est représenté par une ligne verticale.

Teflon (PTFE), la substance non réactive et la plus glissante de la planète avec des applications dans de nombreux industries de l'aérospatiale à la cuisine, était une découverte accidentelle qui résultait d'un traiter. En 1938, le chimiste de DuPont Roy Plunkett avait mis en place un tas de petits cylindres pour stocker gaz tétrafluoroéthylène, pour une utilisation dans les technologies de réfrigération, qu'il a ensuite refroidi à un extrêmement basse température.

Lorsque Plunkett est allé en ouvrir un plus tard, aucun gaz n'est sorti, bien que la masse du cylindre n'ait pas changé. Il a ouvert le tube pour enquêter et a vu une poudre blanche recouvrir l'intérieur, qui s'est avérée plus tard avoir des propriétés commerciales extrêmement utiles.

Selon la loi de Gay-Lussac, lorsque la température diminuait rapidement, la pression diminuait également pour initier un changement de phase dans le gaz.

La première loi de la thermodynamique stipule que la variation de l'énergie interne d'un système est égale à la chaleur ajoutée au système moins le travail effectué par le système. (En d'autres termes, entrée d'énergie moins sortie d'énergie.)

Le travail effectué par un gaz parfait est défini comme sa pression multipliée par son changement de volume, ou PΔV (ou PdV). Parce que le volume change ΔV, est nul dans un processus isochore, cependant, aucun travail n'est effectué par le gaz.

Par conséquent, le changement d'énergie interne du gaz est simplement égal à la quantité de chaleur ajoutée.

Un exemple de presque processus isochore est un autocuiseur. Lorsqu'il est fermé hermétiquement, le volume à l'intérieur ne peut pas changer, donc lorsque de la chaleur est ajoutée, la pression et la température augmentent rapidement. En réalité, les autocuiseurs se dilatent légèrement et du gaz est libéré par une vanne située sur le dessus.

Les moteurs thermiques sont des dispositifs qui exploitent le transfert de chaleur pour effectuer une sorte de travail. Ils utilisent un système cyclique pour convertir l'énergie thermique qui leur est ajoutée en énergie mécanique, ou mouvement. Les exemples incluent les turbines à vapeur et les moteurs automobiles.

Les processus isochores sont utilisés dans de nombreux moteurs thermiques courants. le Cycle d'Otto, par exemple, est un cycle thermodynamique dans les moteurs de voiture qui décrit le processus de transfert de chaleur lors de l'allumage, la course de puissance le déplacement des pistons du moteur pour faire avancer la voiture, le dégagement de chaleur et la course de compression ramenant les pistons à leur démarrage postes.

Dans le cycle d'Otto, les première et troisième étapes, l'ajout et la libération de chaleur, sont considérées comme des processus isochores. Le cycle suppose que les changements de chaleur se produisent instantanément, sans changement de volume du gaz. Ainsi, le travail n'est effectué sur le véhicule que pendant les phases de puissance et de course de compression.

Le travail effectué par un moteur thermique utilisant le cycle d'Otto est représenté par l'aire sous la courbe dans le diagramme. C'est zéro là où les processus isochores d'addition et de libération de chaleur se produisent (les lignes verticales).

Les processus isochores comme ceux-ci sont généralement des processus irréversibles. Une fois la chaleur ajoutée, le seul moyen de ramener le système à son état d'origine est d'éliminer la chaleur d'une manière ou d'une autre en effectuant un travail.

Les processus isochores ne sont que l'un des nombreux processus thermodynamiques idéalisés qui décrivent le comportement des gaz utiles aux scientifiques et aux ingénieurs.

Certains des autres abordés plus en détail ailleurs sur le site incluent :

Processus isobare: Cela se produit à une pression constante et est courant dans de nombreux exemples de la vie réelle, y compris faire bouillir de l'eau sur une cuisinière, allumer une allumette ou dans des turbines à jet d'air. C'est parce que, pour la plupart, la pression de l'atmosphère terrestre ne change pas beaucoup dans une zone locale, comme la cuisine dans laquelle quelqu'un prépare des pâtes. En supposant que la loi des gaz parfaits s'applique, la température divisée par le volume est une valeur constante pour un processus isobare.

Processus isotherme: Cela se produit à une température constante. Par exemple, lors d'un changement de phase comme l'ébullition de l'eau sur le dessus d'une casserole, la température est stable. Les réfrigérateurs utilisent également des procédés isothermes et une application industrielle est le moteur Carnot. Un tel processus est lent car la chaleur ajoutée doit être égale à la chaleur perdue sous forme de travail afin de maintenir la température globale constante. En supposant que la loi des gaz parfaits s'applique, la pression multipliée par le volume est une valeur constante pour un processus isotherme.

Processus adiabatique: Il n'y a pas d'échange de chaleur ou de matière avec l'environnement car un gaz ou un fluide change de volume. Au lieu de cela, le seul résultat dans un processus adiabatique est le travail. Il existe deux cas dans lesquels un processus adiabatique peut se produire. Soit, le processus se produit trop rapidement pour que la chaleur soit transférée dans ou hors de l'ensemble du système, comme pendant le course de compression d'un moteur à gaz, ou cela se produit dans un conteneur qui est si bien isolé que la chaleur ne peut pas traverser le barrière du tout.

Comme les autres processus thermodynamiques expliqués ici, aucun processus n'est vraiment adiabatique, mais se rapprocher de cet idéal est utile en physique et en ingénierie. Par exemple, une caractérisation courante pour les compresseurs, turbines et autres machines thermodynamiques est adiabatique Efficacité: le rapport entre le travail réel fourni par la machine et la quantité de travail qu'elle produirait si elle subissait un véritable processus adiabatique.