Az izokhorikus folyamat egyike azon idealizált termodinamikai folyamatoknak, amelyek leírják, hogyan változhatnak át egy ideális gáz állapota. Leírja a gáz viselkedését zárt tartályban, állandó térfogattal. Ebben a helyzetben az energia hozzáadásával csak a gáz hőmérséklete változik; nem dolgozik a környezetén. Tehát egyetlen motor sem forog, nem mozog a dugattyú, és nem történik hasznos kimenet.
Mi isochorikus folyamat?
Az izokhorikus folyamat (amelyet néha izovolumetrikusnak vagy izometrikusnak neveznek) egy olyan termodinamikai folyamat, amely állandó térfogaton történik. Mivel a térfogat nem változik, a nyomás és a hőmérséklet viszonya állandó értéket tart fenn.
Ezt úgy lehet megérteni, hogy az ideális gáztörvénnyel kezdjük:
PV = nRT
Hol P a gáz abszolút nyomása, V kötet, n a gáz mennyisége, R az ideális gázállandó (8,31 J / mol K), és T a hőmérséklet.
Ha a hangerőt állandó értéken tartják, akkor ezt a törvényt átrendezhetjük annak megmutatására, hogy a P nak nek T állandónak kell lennie:
\ frac {P} {T} = \ text {konstans}
A nyomás és a hőmérséklet arányának ez a matematikai kifejezése a Gay-Lussac törvénye, így nevezték el annak a francia vegyésznek, aki az 1800-as évek elején állt elő. Ennek a törvénynek, amelyet néha nyomástörvénynek is neveznek, egy másik kimenetele az előrejelzés képessége hőmérsékletek és nyomások az ideális gázokhoz, amelyek izokhoros folyamatokon mennek keresztül, a következő egyenlet alkalmazásával:
\ frac {P_1} {T_1} = \ frac {P_2} {T_2}
Hol P1 és T1 a gáz kezdeti nyomása és hőmérséklete, és P2 és T2 a végső értékek.
A nyomás és a hőmérséklet grafikonján vagy a PV diagramon az izochor folyamatot függőleges vonal képviseli.
A teflon (PTFE), a bolygón a nem reaktív, legcsúszósabb anyag, amelyet számos alkalmazásban alkalmaznak az űrhajózástól a főzésig egy véletlen felfedezés volt, amely egy izokhorból származott folyamat. Roy Plunkett, a DuPont vegyésze 1938-ban egy rakás kis palackot állított fel tárolásra tetrafluor-etilén gáz, hűtéstechnikában történő felhasználásra, amelyet aztán rendkívüli hőmérsékletre hűtett alacsony hőmérséklet.
Amikor Plunkett később nyitott, nem jött ki gáz, bár a henger tömege nem változott. Felnyitotta a csövet, hogy kivizsgálhassa, és látta, hogy egy fehér por borítja a belsejét, amely később rendkívül hasznos kereskedelmi tulajdonságoknak bizonyult.
Gay-Lussac törvénye szerint amikor a hőmérséklet gyorsan csökkent, akkor a gáz fázisváltozásának megindításához szükséges nyomás is csökkent.
Izochorikus folyamatok és a termodinamika első törvénye
A termodinamika első törvénye kimondja, hogy a rendszer belső energiájának változása megegyezik a rendszerhez adott hővel, levonva a rendszer által végzett munkát. (Más szavakkal, az energiafelhasználás mínusz az energiatermelés.)
Az ideális gáz által végzett munkát úgy határozzuk meg, mint a nyomás és a térfogatváltozás szorzatát, vagy P-tΔV (vagy PdV). Mivel a hangerő változik ΔV, nulla egy izokhoros folyamatban, azonban a gáz nem végez munkát.
Ennélfogva a gáz belső energiájának változása egyszerűen megegyezik a hozzáadott hőmennyiséggel.
Példa a közel az izokhorikus folyamat nagynyomású tűzhely. Zárt állapotban a belső térfogat nem változhat, így hő hozzáadásakor a nyomás és a hőmérséklet is gyorsan növekszik. Valójában a nyomástartó edények kissé tágulnak, és némi gáz szabadul fel a tetején lévő szelepből.
Izochoros folyamatok a hőmotorokban
A hőmotorok olyan eszközök, amelyek valamilyen munka elvégzésére hasznosítják a hőátadást. Ciklikus rendszert alkalmaznak a hozzájuk hozzáadott hőenergia mechanikai energiává vagy mozgássá alakítására. Ilyen például a gőzturbina és az autómotor.
Az izokhoros folyamatokat számos közös hőmotorban használják. A Ciklus Ottópéldául az autómotorok termodinamikai ciklusa, amely leírja a gyújtás során bekövetkező hőátadás folyamatát, a teljesítménylöketet mozgó motordugattyúk, hogy az autó menjen, a hő felszabaduljon, és a kompressziós löket visszatérő dugattyúi induljanak pozíciókat.
Az Otto-ciklusban az első és a harmadik lépést, a hő hozzáadását és leadását izochorikus folyamatoknak tekintik. A ciklus feltételezi, hogy a hőváltozások azonnal bekövetkeznek, a gáz térfogatának változása nélkül. Így a járművön csak az erő és a kompressziós löket fázisában végeznek munkát.
A hőmotor által az Otto-ciklus segítségével végzett munkát a görbe alatti terület ábrázolja az ábrán. Ez nulla, ha a hő hozzáadásának és felszabadulásának izokhoros folyamata zajlik (a függőleges vonalak).
Az ilyen izokhorikus folyamatok általában visszafordíthatatlan folyamatok. A hő hozzáadása után a rendszer eredeti állapotának visszaállításának egyetlen módja a hő valahogyan történő eltávolítása a munka elvégzésével.
Egyéb termodinamikai folyamatok
Az izokhorikus folyamatok csak egyike azon idealizált termodinamikai folyamatoknak, amelyek leírják a tudósok és mérnökök számára hasznos gázok viselkedését.
Néhány más, az oldal más részein részletesebben tárgyalt:
Izobár folyamat: Ez állandó nyomáson fordul elő, és sok valós példában elterjedt, ideértve a víz forralását a kályhán, a gyufa meggyújtását vagy a levegőt lélegző sugár turbinákban. Ennek oka, hogy a helyi légkörben a Föld légkörének nyomása többnyire nem sokat változik, például a konyhában, ahol valaki tésztát készít. Feltételezve, hogy az ideális gáztörvény alkalmazandó, a hőmérséklet térfogattal elosztva az izobár folyamat állandó értéke.
Izoterm folyamat: Ez állandó hőmérsékleten történik. Például egy olyan fázisváltozás során, mint például az edény tetejéről lefolyó víz, a hőmérséklet állandó. A hűtőszekrények izoterm folyamatokat is alkalmaznak, és ipari alkalmazás a Carnot Engine. Egy ilyen folyamat lassú, mert a hozzáadott hőnek meg kell egyeznie a munka során elveszített hővel annak érdekében, hogy az általános hőmérséklet állandó maradjon. Feltételezve, hogy az ideális gáztörvény alkalmazandó, a nyomás és a térfogat állandó értéke egy izoterm folyamatnál.
Adiabatikus folyamat: Nincs hő- vagy anyagcsere a környezettel, mivel a gáz vagy folyadék térfogatát megváltoztatja. Ehelyett az adiabatikus folyamat egyetlen eredménye a munka. Két esetben fordulhat elő adiabatikus folyamat. A folyamat túl gyorsan megy végbe ahhoz, hogy a hő átjusson az egész rendszerbe, vagy onnan távozzon, például a rendszer során gázmotor nyomási lökete, vagy olyan tartályban történik, amely olyan jól szigetelt, hogy a hő nem lépheti át a egyáltalán akadály.
A többi itt ismertetett termodinamikai folyamathoz hasonlóan egyetlen folyamat sem igazán adiabatikus, de ennek az ideálnak a megközelítése hasznos a fizikában és a mérnöki munkában. Például a kompresszorok, turbinák és más termodinamikai gépek közös jellemzése adiabatikus hatékonyság: A tényleges munka aránya, amelyet a gép teljesít, és mennyi munkát végezne, ha igaz lenne adiabatikus folyamat.