להבין מה הם תהליכים תרמודינמיים שונים וכיצד אתה משתמש בחוק הראשון של התרמודינמיקה עם כל אחד מהם הוא קריטי כאשר אתה מתחיל לשקול מנועי חום ומחזורי קרנו.
רבים מהתהליכים הם אידיאליים, ולכן הם אמנם לא משקפים במדויק את האופן שבו הדברים מתרחשים בעולם האמיתי, הם קירובים שימושיים שמפשטים את החישובים ומקלים על הציור מסקנות. תהליכים אידיאליים אלה מתארים כיצד מצבים של גז אידיאלי יכולים לעבור שינוי.
התהליך האיזותרמי הוא רק דוגמה אחת, והעובדה שהוא מתרחש בטמפרטורה אחת מעצם הגדרתו מפשט באופן דרסטי את העבודה עם החוק הראשון של התרמודינמיקה כשמחשבים דברים כמו מנוע חום תהליכים.
מהו תהליך איזותרמי?
תהליך איזותרמי הוא תהליך תרמודינמי המתרחש בטמפרטורה קבועה. היתרון בעבודה בטמפרטורה קבועה ועם גז אידיאלי הוא שתוכלו להשתמש בחוק בויל ובחוק הגז האידיאלי להתייחס ללחץ ונפח. שני הביטויים הללו (כיוון שחוק בויל הוא אחד מכמה חוקים ששולבו בחוק הגז האידיאלי) מראים קשר הפוך בין לחץ ונפח. חוק בויל מרמז כי:
P_1V_1 = P_2V_2
כאשר המנויים מציינים את הלחץ (פ) ונפח (ו) בזמן 1 והלחץ והנפח בזמן 2. המשוואה מראה שאם הנפח מכפיל את עצמו למשל, הלחץ צריך להפחית בחצי כדי לשמור על המשוואה מאוזנת, ולהיפך. חוק הגז האידיאלי המלא הוא
PV = nRT
איפהנהוא מספר השומות של הגז,רהוא קבוע הגז האוניברסליטהיא הטמפרטורה. עם כמות קבועה של גז וטמפרטורה קבועה,PVחייב לקחת ערך קבוע, מה שמוביל לתוצאה הקודמת.
בתרשים נפח לחץ (PV), שהוא עלילת לחץ לעומת נפח המשמש לעתים קרובות לתהליכים תרמודינמיים, תהליך איזותרמי נראה כמו הגרף שלy = 1/איקס, מתעקל כלפי מטה לכיוון ערכו המינימלי.
נקודה אחת שמבלבלת לעתים קרובות אנשים היא ההבחנה ביןאיזותרמילעומת.אדיאבטית, אך פירוק המילה לשני חלקיה יכול לעזור לך לזכור זאת. פירוש "איזו" שווה ו"תרמי "מתייחס לחום של משהו (כלומר, הטמפרטורה שלו), ולכן" איזותרמית "פירושו המילולי" בטמפרטורה שווה ". תהליכים אדיאבטיים אינם כרוכים בחוםלְהַעֲבִיר, אך טמפרטורת המערכת משתנה לעתים קרובות במהלכם.
תהליכים איזותרמיים והחוק הראשון של התרמודינמיקה
החוק הראשון של התרמודינמיקה קובע כי השינוי באנרגיה הפנימית (∆U) עבור מערכת שווה לחום שנוסף למערכת (ש) פחות העבודה שנעשתה על ידי המערכת (W), או בסמלים:
∆U = Q - W
כאשר אתה מתמודד עם תהליך איזותרמי, אתה יכול להשתמש בעובדה שהאנרגיה הפנימית פרופורציונלית ישירות לטמפרטורה לצד החוק הזה כדי להסיק מסקנה שימושית. האנרגיה הפנימית של גז אידיאלי היא:
U = \ frac {3} {2} nRT
משמעות הדבר היא כי לטמפרטורה קבועה יש לך אנרגיה פנימית קבועה. ככה גם עם∆U= 0, ניתן לסדר מחדש את החוק הראשון של התרמודינמיקה כך:
ש = W
או, במילים, החום שנוסף למערכת שווה לעבודה שנעשתה על ידי המערכת, כלומר החום שנוסף משמש לביצוע העבודה. לדוגמא, בהתפשטות איזותרמית, מוסיפים חום למערכת, מה שגורם לה להתרחב, ולעשות עבודה על הסביבה מבלי לאבד אנרגיה פנימית. בדחיסה איזותרמית, הסביבה אכן עובדת על המערכת וגורמת למערכת לאבד אנרגיה זו כחום.
תהליכים איזותרמיים במנועי חום
מנועי חום משתמשים במעגל שלם של תהליכים תרמודינמיים כדי להמיר אנרגיית חום לאנרגיה מכנית, בדרך כלל על ידי הזזת בוכנה כאשר הגז במנוע החום מתרחב. תהליכים איזותרמיים הם חלק מרכזי במחזור זה, כאשר אנרגיית החום הנוספת מומרת לחלוטין לעבודה ללא כל אובדן.
עם זאת, זהו תהליך אידיאלי ביותר, מכיוון שבפועל תמיד תאבד קצת אנרגיה כאשר אנרגית החום מומרת לעבודה. כדי שזה יעבוד במציאות, יהיה צורך לקחת זמן אינסופי כדי שהמערכת תוכל להישאר בשיווי משקל תרמי עם סביבתה בכל עת.
תהליכים איזותרמיים נחשבים לתהליכים הפיכים, מכיוון שאם סיימתם תהליך (למשל, איזותרמי הרחבה) אתה יכול להריץ את אותו התהליך באופן הפוך (דחיסה איזותרמית) ולהחזיר את המערכת למקור שלה מדינה. בעיקרו של דבר, אתה יכול להריץ את אותו התהליך קדימה או אחורה בזמן מבלי להפר חוקי פיזיקה.
עם זאת, אם ניסיתם זאת בחיים האמיתיים, החוק השני של התרמודינמיקה פירושו שיש עליה אנטרופיה במהלך התהליך "קדימה", כך שה"אחור "לא יחזיר את המערכת לחלוטין למקור שלה מדינה.
אם אתה מתווה תהליך איזותרמי בתרשים PV, העבודה שנעשתה במהלך התהליך שווה לשטח שמתחת לעקומה. בעוד שאתה יכול לחשב את העבודה שנעשתה בצורה איזותרמית בדרך זו, לעיתים קרובות קל יותר פשוט להשתמש בחוק הראשון של התרמודינמיקה והעובדה שהעבודה שבוצעה שווה לחום שנוסף למערכת.
ביטויים אחרים לעבודה שנעשתה בתהליכים איזותרמיים
אם אתה עושה חישובים לתהליך איזותרמי, יש כמה משוואות אחרות שאתה יכול להשתמש בהן כדי למצוא את העבודה שבוצעה. הראשון שבהם הוא:
W = nRT \ ln \ bigg (\ frac {V_f} {V_i} \ bigg)
איפהוf הוא הכרך הסופי וואני הוא הנפח הראשוני. באמצעות חוק הגז האידיאלי תוכלו להחליף את הלחץ והנפח הראשוניים (פאני וואני) בשביל הnRTבמשוואה זו כדי להשיג:
W = P_iV_i \ ln \ bigg (\ frac {V_f} {V_i} \ bigg)
זה יכול להיות קל יותר בעבודה באמצעות החום שנוסף, אך אם יש לך רק מידע על הלחץ, הנפח או הטמפרטורה, אחת מהמשוואות הללו יכולה לפשט את הבעיה. מכיוון שעבודה היא סוג של אנרגיה, היחידה שלה היא הג'ול (J).
תהליכים תרמודינמיים אחרים
ישנם תהליכים תרמודינמיים רבים אחרים, ורבים מאלה יכולים להיות מסווגים באופן דומה לתהליכים איזותרמיים, אלא שכמויות שאינן הטמפרטורה קבועות לאורך כל הדרך. תהליך איזוברי הוא תהליך המתרחש בלחץ קבוע, ובשל כך הכוח המופעל על דפנות המכולה הוא קבוע, והעבודה שנעשתה ניתנת על ידיW = P∆V.
עבור גז שעובר התרחבות איזוברית, צריך לעבור העברת חום על מנת לשמור על לחץ קבוע, וחום זה משנה את האנרגיה הפנימית של המערכת, כמו גם ביצוע עבודה.
תהליך איזוכורי מתרחש בנפח קבוע. זה מאפשר לך לבצע פשטות בחוק הראשון של התרמודינמיקה, מכיוון שאם הנפח קבוע, המערכת לא יכולה לעבוד על הסביבה. כתוצאה מכך, השינוי באנרגיה הפנימית של המערכת נובע לחלוטין מהחום המועבר.
תהליך אדיאבטי הוא תהליך המתרחש ללא החלפת חום בין המערכת לסביבה. אין זה אומר שאין שינוי בטמפרטורה במערכת, מכיוון שהתהליך עלול להוביל לעלייה או לירידה בטמפרטורה ללא העברת חום ישירה. עם זאת, ללא העברת חום, החוק הראשון מראה כי כל שינוי באנרגיה הפנימית חייב להיות בגלל עבודה שנעשתה על המערכת או על ידי המערכת, מכיוון שהיא מגדירהש= 0 במשוואה.