Il processo isocoro è uno dei numerosi processi termodinamici idealizzati che descrivono come gli stati di un gas ideale possono subire cambiamenti. Descrive il comportamento del gas in un contenitore chiuso a volume costante. In questa situazione, quando si aggiunge energia, cambia solo la temperatura del gas; non funziona sui suoi dintorni. Quindi nessun motore gira, nessun pistone si muove e non si ottiene alcun output utile.
Che cos'è un processo isocoro?
Un processo isocore, (a volte chiamato processo isovolumetrico o isometrico) è un processo termodinamico che si verifica a volume costante. Poiché il volume non cambia, il rapporto tra pressione e temperatura mantiene un valore costante.
Questo può essere compreso partendo dalla legge dei gas perfetti:
PV = nRT
Dove P è la pressione assoluta del gas, V è il volume, n è la quantità di gas, R è la costante del gas ideale (8,31 J/mol K), e T è la temperatura.
Quando il volume è mantenuto costante, questa legge può essere riorganizzata per mostrare che il rapporto di P per T deve essere anche una costante:
\frac {P}{T} = \text {costante}
Questa espressione matematica del rapporto tra pressione e temperatura è nota come Legge di Gay-Lussac, così chiamato per il chimico francese che lo inventò all'inizio del 1800. Un altro risultato di questa legge, a volte chiamata anche legge della pressione, è la capacità di prevedere temperature e pressioni per gas ideali sottoposti a processi isocori utilizzando la seguente equazione:
\frac {P_1}{T_1} = \frac {P_2}{T_2}
Dove P1 e T1 sono la pressione e la temperatura iniziali del gas, e P2 e T2 sono i valori finali
Su un grafico della pressione in funzione della temperatura, o un diagramma PV, un processo isocoro è rappresentato da una linea verticale.
Teflon (PTFE), la sostanza non reattiva e più scivolosa del pianeta con molte applicazioni industrie dall'aerospaziale alla cucina, è stata una scoperta accidentale che è il risultato di un isocora processi. Nel 1938, il chimico della DuPont Roy Plunkett aveva allestito un mucchio di piccoli cilindri da conservare gas tetrafluoroetilene, per l'uso nelle tecnologie di refrigerazione, che ha poi raffreddato ad un bassa temperatura.
Quando Plunkett andò ad aprirne uno più tardi, non usciva gas, sebbene la massa del cilindro non fosse cambiata. Aprì il tubo per investigare e vide una polvere bianca che ricopriva l'interno, che in seguito si rivelò avere proprietà commerciali immensamente utili.
Secondo la legge di Gay-Lussac, quando la temperatura diminuiva rapidamente, aumentava anche la pressione per avviare un cambiamento di fase nel gas.
Processi isocori e primo principio della termodinamica
La prima legge della termodinamica afferma che la variazione dell'energia interna di un sistema è uguale al calore aggiunto al sistema meno il lavoro svolto dal sistema. (In altre parole, energia immessa meno energia prodotta.)
Il lavoro compiuto da un gas ideale è definito come la sua pressione moltiplicata per la sua variazione di volume, o PΔV (o PdV). Perché il volume cambia ΔV, è zero in un processo isocoro, tuttavia, il gas non compie alcun lavoro.
Quindi, la variazione di energia interna del gas è semplicemente uguale alla quantità di calore aggiunta.
Un esempio di a quasi il processo isocoro è una pentola a pressione. Una volta sigillato, il volume all'interno non può cambiare, quindi quando viene aggiunto calore sia la pressione che la temperatura aumentano rapidamente. In realtà, le pentole a pressione si espandono leggermente e una parte del gas viene rilasciata da una valvola in alto.
Processi isocori nei motori termici
I motori termici sono dispositivi che sfruttano il trasferimento di calore per svolgere un qualche tipo di lavoro. Usano un sistema ciclico per convertire l'energia termica aggiunta loro in energia meccanica, o movimento. Gli esempi includono turbine a vapore e motori automobilistici.
I processi isocori sono utilizzati in molti motori termici comuni. Il Ciclo Otto, ad esempio, è un ciclo termodinamico nei motori delle automobili che descrive il processo di trasferimento del calore durante l'accensione, la corsa di potenza lo spostamento dei pistoni del motore per far partire l'auto, il rilascio di calore e la corsa di compressione che riportano i pistoni al loro avviamento posizioni.
Nel Ciclo Otto, la prima e la terza fase, l'aggiunta e il rilascio di calore, sono considerate processi isocore. Il ciclo presuppone che le variazioni di calore avvengano istantaneamente, senza variazione di volume del gas. Pertanto, il lavoro viene svolto sul veicolo solo durante le fasi di corsa di potenza e compressione.
Il lavoro svolto da una macchina termica che utilizza il ciclo Otto è rappresentato dall'area sotto la curva nel diagramma. Questo è zero dove si verificano i processi isocore di aggiunta e rilascio di calore (le linee verticali).
Processi isocori come questi sono generalmente processi irreversibili. Una volta aggiunto il calore, l'unico modo per riportare il sistema al suo stato originale è rimuovere il calore in qualche modo facendo del lavoro.
Altri processi termodinamici
I processi isocori sono solo uno dei numerosi processi termodinamici idealizzati che descrivono il comportamento dei gas utili a scienziati e ingegneri.
Alcuni degli altri discussi in modo più dettagliato altrove sul sito includono:
Processo isobarico: Ciò si verifica a una pressione costante ed è comune in molti esempi di vita reale, tra cui l'acqua bollente su una stufa, l'accensione di un fiammifero o le turbine a getto che respirano aria. Questo perché, per la maggior parte, la pressione dell'atmosfera terrestre non cambia molto in un'area locale, come la cucina in cui qualcuno sta facendo la pasta. Supponendo che si applichi la legge dei gas ideali, la temperatura divisa per il volume è un valore costante per un processo isobarico.
Processo isotermico: Ciò si verifica a temperatura costante. Ad esempio, durante un cambio di fase come l'acqua che bolle dalla parte superiore di una pentola, la temperatura è stabile. Anche i frigoriferi utilizzano processi isotermici e un'applicazione industriale è il Carnot Engine. Tale processo è lento perché il calore aggiunto deve essere uguale al calore perso come lavoro per mantenere costante la temperatura complessiva. Supponendo che si applichi la legge dei gas ideali, la pressione per il volume è un valore costante per un processo isotermico.
Processo adiabatico: Non c'è scambio di calore o materiale con l'ambiente circostante poiché un gas o un fluido cambia volume. Invece, l'unico output in un processo adiabatico è il lavoro. Ci sono due casi in cui potrebbe verificarsi un processo adiabatico. In entrambi i casi, il processo si verifica troppo rapidamente perché il calore possa trasferirsi dentro o fuori l'intero sistema, come durante il compressione di un motore a gas, o accade in un contenitore così ben isolato che il calore non può attraversare il barriera affatto.
Come gli altri processi termodinamici spiegati qui, nessun processo è veramente adiabatico, ma l'approssimazione contro questo ideale è utile in fisica e ingegneria. Ad esempio, una caratterizzazione comune per compressori, turbine e altre macchine termodinamiche è adiabatica efficienza: il rapporto tra il lavoro effettivo che la macchina emette e quanto lavoro produrrebbe se fosse sottoposto a un vero processo adiabatico.