התהליך האיזוכורי הוא אחד מכמה תהליכים תרמודינמיים אידיאליים המתארים כיצד מצבים של גז אידיאלי יכולים לעבור שינוי. הוא מתאר את התנהגות הגז במיכל סגור בנפח קבוע. במצב זה, כאשר מוסיפים אנרגיה, רק טמפרטורת הגז משתנה; זה לא עובד על סביבתו. אז אין מנועים מסתובבים, אין בוכנות זזות ושום תפוקה שימושית לא מתרחשת.
מהו תהליך איזוכורי?
תהליך איזוכורי, (נקרא לפעמים תהליך איזוו-וולומטרי או איזומטרי) הוא תהליך תרמודינמי המתרחש בנפח קבוע. מכיוון שהנפח אינו משתנה, הקשר בין לחץ לטמפרטורה שומר על ערך קבוע.
ניתן להבין זאת על ידי התחלה בחוק הגז האידיאלי:
PV = nRT
איפה פ הוא הלחץ המוחלט של הגז, ו הוא נפח, נ היא כמות הגז, ר הוא קבוע הגז האידיאלי (8.31 J / mol K), ו- ט הוא טמפרטורה.
כאשר נפח מוחזק קבוע, ניתן לסדר מחדש חוק זה כדי להראות כי היחס בין פ ל ט חייב גם להיות קבוע:
\ frac {P} {T} = \ text {קבוע}
ביטוי מתמטי זה של היחס בין לחץ לטמפרטורה מכונה חוק גיי-לוסק, כך נקרא כימאי הצרפתי שהעלה את זה בראשית המאה ה -19. תוצאה נוספת של חוק זה, שלעתים מכונה גם חוק הלחץ, היא היכולת לחזות טמפרטורות ולחצים לגזים אידיאליים העוברים תהליכים איזוכוריים באמצעות המשוואה הבאה:
\ frac {P_1} {T_1} = \ frac {P_2} {T_2}
איפה פ1 ו ט1 הם הלחץ והטמפרטורה הראשוניים של הגז, ו פ2 ו ט2 הם הערכים הסופיים.
בתרשים של לחץ לעומת טמפרטורה, או דיאגרמת PV, תהליך איזוכורי מיוצג על ידי קו אנכי.
טפלון (PTFE), החומר הלא מגיב והחלק ביותר על פני כדור הארץ עם יישומים ברחבי רבים תעשיות החלל והחלל לבישול, היה תגלית מקרית שנבעה מאיזוכוריות תהליך. בשנת 1938 הקים הכימאי של דופונט רוי פלונקט חבורה של צילינדרים קטנים לאחסון גז טטרפלואורואתילן, לשימוש בטכנולוגיות קירור, שאותן הוא קירר עד מאוד טמפרטורה נמוכה.
כשפלונקט הלך לפתוח אחד אחר כך, לא יצא שום גז, אם כי מסת הגליל לא השתנתה. הוא פתח את הצינור כדי לחקור וראה אבקה לבנה מצפה את החלק הפנימי, שלימים הוכיח שיש לו תכונות מסחריות שימושיות ביותר.
על פי חוק גיי-לוסאק, כאשר הטמפרטורה ירדה במהירות, כך גם הלחץ ליזום שינוי שלב בגז.
תהליכים איזוכוריים והחוק הראשון של התרמודינמיקה
החוק הראשון של התרמודינמיקה קובע כי השינוי באנרגיה הפנימית של מערכת שווה לחום שנוסף למערכת פחות העבודה שנעשתה על ידי המערכת. (במילים אחרות, קלט אנרגיה פחות תפוקת אנרגיה.)
העבודה הנעשית על ידי גז אידיאלי מוגדרת כלחץ שלה כפול שינוי בנפח, או PΔV (או PdV). כי עוצמת הקול משתנה ΔV, הוא אפס בתהליך איזוכורי, עם זאת, שום עבודה לא נעשית על ידי הגז.
מכאן שהשינוי באנרגיה הפנימית של הגז פשוט שווה לכמות החום שנוספה.
דוגמה לא כמעט תהליך איזוכורי הוא סיר לחץ. כאשר האיטום נסגר, נפח הפנים אינו יכול להשתנות, ולכן כאשר מוסיפים חום גם הלחץ והטמפרטורה עולים במהירות. לאמיתו של דבר, תנורי לחץ אכן מתרחבים מעט, ומשתחרר מעט גז משסתום מעל.
תהליכים איזוכוריים במנועי חום
מנועי חום הם מכשירים הרותמים את העברת החום לצורך עבודה כלשהי. הם משתמשים במערכת מחזורית כדי להמיר אנרגיית חום שנוספה להם לאנרגיה מכנית, או לתנועה. דוגמאות כוללות טורבינות קיטור ומנועי רכב.
משתמשים בתהליכים איזוכוריים במנועי חום נפוצים רבים. ה אוטו מחזור, למשל, הוא מחזור תרמודינמי במנועי מכוניות המתאר את תהליך העברת החום במהלך ההצתה, מכת הכוח הזזת בוכנות מנוע כדי לגרום למכונית לנסוע, שחרור חום ושבץ הדחיסה המחזיר בוכנות להתנעתן עמדות.
במחזור אוטו, הצעדים הראשונים והשלישים, תוספת ושחרור חום, נחשבים לתהליכים איזוכוריים. המחזור מניח כי שינויי החום מתרחשים באופן מיידי, ללא שינוי בנפח הגז. לפיכך, העבודה נעשית על הרכב רק בשלבי פעולת הכוח והדחיסה.
העבודה שנעשתה על ידי מנוע חום המשתמש במחזור אוטו מיוצגת על ידי השטח מתחת לעקומה בתרשים. זהו אפס בו מתרחשים התהליכים האיזוכוריים של הוספת ושחרור חום (הקווים האנכיים).
תהליכים איזוכוריים כמו אלה הם בדרך כלל תהליכים בלתי הפיכים. לאחר הוספת חום, הדרך היחידה להחזיר את המערכת למצבה המקורי היא הסרת חום איכשהו על ידי עבודה.
תהליכים תרמודינמיים אחרים
תהליכים איזוכוריים אינם אלא אחד מכמה תהליכים תרמודינמיים אידיאליים המתארים את התנהגותם של גזים היעילים למדענים ומהנדסים.
חלק מהאחרים שנדונו בפירוט רב יותר במקומות אחרים באתר כוללים:
תהליך איזובארי: זה קורה בלחץ קבוע והוא נפוץ בדוגמאות רבות מהחיים האמיתיים, כולל מים רותחים על כיריים, הדלקת גפרור או בטורבינות סילון נושמות אוויר. זאת מכיוון שלרוב, לחץ האטמוספירה של כדור הארץ אינו משתנה הרבה באזור מקומי, כמו למשל המטבח בו מישהו מכין פסטה. בהנחה שחוק הגז האידיאלי חל, הטמפרטורה מחולקת בנפח היא ערך קבוע לתהליך איזוברי.
תהליך איזותרמי: זה קורה בטמפרטורה קבועה. לדוגמא, במהלך שינוי פאזה כמו מים הרותחים מעל החלק העליון של הסיר, הטמפרטורה יציבה. מקררים משתמשים גם בתהליכים איזותרמיים ויישום תעשייתי הוא מנוע קרנוט. תהליך כזה הוא איטי מכיוון שהחום המוסיף חייב להיות שווה לחום שאבד בעבודה על מנת לשמור על טמפרטורה כוללת קבועה. בהנחה שחוק הגז האידיאלי חל, לחץ כפול נפח הוא ערך קבוע לתהליך איזותרמי.
תהליך אדיאבטי: אין חילופי חום או חומרים עם הסביבה כאשר גז או נוזל משנים נפח. במקום זאת, התפוקה היחידה בתהליך אדיאבטי היא עבודה. ישנם שני מקרים בהם עלול להתרחש תהליך אדיאבטי. או, התהליך מתרחש מהר מדי מכדי שחום יועבר למערכת או כולה, כמו במהלך פעימות דחיסה של מנוע גז, או שזה קורה במיכל שכל כך טוב מבודד חום אינו יכול לחצות את מחסום בכלל.
כמו שאר תהליכי התרמודינמיקה שהוסברו כאן, אף תהליך אינו באמת אדיאבטי, אך קירוב כנגד אידיאל זה שימושי בפיזיקה והנדסה. למשל, אפיון נפוץ עבור מדחסים, טורבינות ומכונות תרמודינמיות אחרות הוא אדיאבטי יעילות: היחס בין העבודה בפועל שהמכונה מפיקה לכמות העבודה שהיא תפיק אם היא עוברת אמת תהליך אדיאבטי.
