Izohorni proces jedan je od nekoliko idealiziranih termodinamičkih procesa koji opisuju kako se stanja idealnog plina mogu mijenjati. Opisuje ponašanje plina u zatvorenoj posudi pri konstantnoj zapremini. U ovoj se situaciji, kad se doda energija, mijenja samo temperatura plina; ne radi na svojoj okolini. Dakle, nijedan se motor ne okreće, nijedan se klip ne miče i ne događa se korisna snaga.
Što je izohorski proces?
Izohorni proces, (koji se ponekad naziva izovolumetrijski ili izometrijski postupak) je termodinamički proces koji se događa u konstantnom volumenu. Budući da se glasnoća ne mijenja, odnos tlaka i temperature održava konstantnu vrijednost.
To se može razumjeti započinjanjem zakona o idealnom plinu:
PV = nRT
Gdje Str je apsolutni tlak plina, V je volumen, n je količina plina, R je idealna plinska konstanta (8,31 J / mol K), i T je temperatura.
Kada se volumen drži konstantnim, ovaj zakon može se preurediti tako da pokazuje da je omjer Str do T također mora biti konstanta:
\ frac {P} {T} = \ text {konstanta}
Ovaj matematički izraz omjera tlaka i temperature poznat je kao Gay-Lussacov zakon, nazvan tako po francuskom kemičaru koji ga je smislio početkom 1800-ih. Sljedeći ishod ovog zakona, koji se ponekad naziva i zakonom o pritisku, jest sposobnost predviđanja temperature i tlakovi za idealne plinove koji prolaze izohorne procese koristeći sljedeću jednadžbu:
\ frac {P_1} {T_1} = \ frac {P_2} {T_2}
Gdje Str1 i T1 početni tlak i temperatura plina, i Str2 i T2 su konačne vrijednosti.
Na grafikonu tlaka u odnosu na temperaturu ili PV dijagramu, izohorni proces predstavljen je okomitom crtom.
Teflon (PTFE), nereaktivna, najsklistija tvar na planetu s mnogo primjena industrije od zrakoplovne industrije do kuhanja, bilo je slučajno otkriće koje je proizašlo iz izohorne postupak. 1938. kemičar DuPonta Roy Plunkett postavio je gomilu malih cilindara za spremanje plin tetrafluoretilen, za upotrebu u rashladnim tehnologijama, koji je zatim izuzetno ohladio niska temperatura.
Kad se Plunkett kasnije otvorio, nije izlazio plin, iako se masa cilindra nije promijenila. Otvorio je cijev kako bi istražio i vidio bijeli prah koji prekriva unutrašnjost, što se kasnije pokazalo s neizmjerno korisnim komercijalnim svojstvima.
Prema Gay-Lussac-ovom zakonu, kada se temperatura brzo smanjivala, padao je i pritisak da se pokrene fazna promjena u plinu.
Izohorski procesi i prvi zakon termodinamike
Prvi zakon termodinamike kaže da je promjena unutarnje energije sustava jednaka toplini dodanoj sustavu umanjenoj za rad sustava. (Drugim riječima, ulazna energija umanjena za izlaznu energiju.)
Rad idealnog plina definira se kao njegov tlak umnožen s promjenom volumena ili PΔV (ili PdV). Budući da se glasnoća mijenja ΔV je nula u izohornom procesu, međutim plin ne radi.
Stoga je promjena unutarnje energije plina jednostavno jednaka količini dodane topline.
Primjer a gotovo izohorski postupak je lonac pod tlakom. Kada se zatvore zatvoreno, volumen se iznutra ne može promijeniti, pa se pri dodavanju topline i tlak i temperatura brzo povećavaju. Zapravo se štednjaci pod pritiskom malo šire, a iz ventila na vrhu ispušta se malo plina.
Izohorski procesi u toplinskim motorima
Toplinski motori su uređaji koji iskorištavaju prijenos topline za obavljanje neke vrste posla. Oni koriste ciklički sustav za pretvaranje dodane toplinske energije u mehaničku energiju ili gibanje. Primjeri uključuju parne turbine i automobilske motore.
Izohorski procesi koriste se u mnogim uobičajenim toplinskim strojevima. The Ottov ciklus, na primjer, termodinamički je ciklus u automobilskim motorima koji opisuje postupak prijenosa topline tijekom paljenja, takt snage pomicanje klipova motora radi pokretanja automobila, oslobađanje topline i hod kompresije koji vraćaju klipove u njihovo pokretanje položajima.
U Ottoovom ciklusu, prvi i treći korak, dodavanje i ispuštanje topline, smatraju se izohornim procesima. Ciklus pretpostavlja da se promjene topline događaju trenutno, bez promjene u količini plina. Stoga se na vozilu radi samo u fazama snage i takta kompresije.
Rad toplinskog stroja pomoću Ottovog ciklusa prikazan je površinom ispod krivulje na dijagramu. To je nula tamo gdje se događaju izohorni procesi dodavanja i oslobađanja topline (okomite crte).
Izohorni procesi poput ovih općenito su nepovratni procesi. Jednom kad se doda toplina, jedini način za vraćanje sustava u prvobitno stanje je uklanjanje topline nekako obavljanjem posla.
Ostali termodinamički procesi
Izohorski procesi samo su jedan od nekoliko idealiziranih termodinamičkih procesa koji opisuju ponašanje plinova korisnih znanstvenicima i inženjerima.
Neki od ostalih o kojima se detaljnije raspravlja na drugim mjestima na web mjestu uključuju:
Izobarski proces: To se događa pod stalnim tlakom i često je u mnogim primjerima iz stvarnog života, uključujući kipuću vodu na štednjaku, paljenje šibice ili u mlaznim turbinama koje dišu zrak. To je zato što se, uglavnom, pritisak Zemljine atmosfere ne mijenja puno u lokalnom području, poput kuhinje u kojoj netko pravi tjesteninu. Pod pretpostavkom da vrijedi zakon o idealnom plinu, temperatura podijeljena s volumenom stalna je vrijednost za izobarni postupak.
Izotermni proces: To se događa pri konstantnoj temperaturi. Na primjer, tijekom fazne promjene, poput vode koja kipi s vrha lonca, temperatura je stabilna. Hladnjaci se također koriste izotermnim postupcima, a industrijska primjena je Carnot Engine. Takav je postupak spor, jer dodana toplina mora biti jednaka izgubljenoj toplini tijekom rada kako bi se održala ukupna temperatura konstantnom. Pod pretpostavkom da vrijedi zakon o idealnom plinu, tlak u zapremini konstantna je vrijednost za izotermni proces.
Adijabatski proces: Ne postoji izmjena topline ili materijala s okolinom jer plin ili tekućina mijenjaju količinu. Umjesto toga, jedini izlaz u adijabatskom procesu je rad. Postoje dva slučaja u kojima bi se mogao dogoditi adijabatski proces. Bilo kako bilo, proces se događa prebrzo da bi se toplina mogla prenijeti u ili izvan cijelog sustava, na primjer tijekom moždani udar plinskog motora ili se dogodi u spremniku koji je toliko dobro izoliran da toplina ne može prijeći barijera uopće.
Poput ostalih termodinamičkih procesa koji su ovdje objašnjeni, niti jedan postupak nije uistinu adijabatski, ali približavanje ovom idealu korisno je u fizici i inženjerstvu. Na primjer, uobičajena karakteristika kompresora, turbina i ostalih termodinamičkih strojeva je adijabatska učinkovitost: Omjer stvarnog rada koji stroj proizvede i onog posla koji bi proizveo da je istinit adijabatski proces.