იმის გაგება, თუ რა არის სხვადასხვა თერმოდინამიკური პროცესები და როგორ იყენებთ თერმოდინამიკის პირველ კანონს თითოეულთან, გადამწყვეტი მნიშვნელობა აქვს, როდესაც დაიწყებთ სითბოს ძრავებისა და კარნოტის ციკლების განხილვას.
ბევრი პროცესი იდეალიზებულია, ამიტომ ისინი ზუსტად არ ასახავენ იმას, თუ როგორ ხდება მოვლენები საქართველოში რეალურ სამყაროში, ეს არის სასარგებლო მიახლოებები, რომლებიც ამარტივებს გამოთვლებს და აადვილებს ხატვას დასკვნები. ეს იდეალიზებული პროცესები აღწერს, თუ როგორ შეიძლება შეიცვალოს იდეალური გაზის მდგომარეობები.
იზოთერმული პროცესი მხოლოდ ერთი მაგალითია და ის ფაქტი, რომ იგი განმარტებულად ერთ ტემპერატურაზე ხდება რადიკალურად ამარტივებს თერმოდინამიკის პირველ კანთან მუშაობას, როდესაც გათვლით სითბოს ძრავას პროცესები.
რა არის იზოთერმული პროცესი?
იზოთერმული პროცესი არის თერმოდინამიკური პროცესი, რომელიც ხდება მუდმივ ტემპერატურაზე. მუდმივ ტემპერატურაზე და იდეალურ გაზთან მუშაობის უპირატესობა არის ის, რომ შეგიძლიათ გამოიყენოთ ბოილის კანონი და გაზის იდეალური კანონი წნევისა და მოცულობის დასაკავშირებლად. ორივე ეს გამონათქვამი (რადგან ბოილის კანონი ერთ – ერთია იმ რამდენიმე კანონიდან, რომელიც იდეალურ გაზში შედიოდა) აჩვენებს შებრუნებულ ურთიერთობას წნევასა და მოცულობას შორის. ბოილის კანონი გულისხმობს:
P_1V_1 = P_2V_2
სადაც ხელმოწერები აღნიშნავენ წნევას (პ) და მოცულობა (ვ) 1 დროს და წნევა და მოცულობა 2 დროს. განტოლება გვიჩვენებს, რომ თუ მოცულობა ორმაგდება, წნევა უნდა შემცირდეს ნახევრით, რათა განტოლება დაბალანსდეს და პირიქით. გაზის სრული იდეალური კანონია
PV = nRT
სადნარის გაზის მოლების რაოდენობა,რარის გაზის უნივერსალური მუდმივა დათარის ტემპერატურა. გაზის ფიქსირებული რაოდენობით და ფიქსირებული ტემპერატურით,PVუნდა მიიღოს მუდმივი მნიშვნელობა, რასაც მივყავართ წინა შედეგამდე.
წნევის მოცულობის (PV) დიაგრამაზე, რომელიც წარმოადგენს წნევის ნაკვეთს v. მოცულობა, რომელიც ხშირად გამოიყენება თერმოდინამიკური პროცესებისთვის, იზოთერმული პროცესი გრაფიკის მსგავსიაy = 1/x, ქვევით მრუდი მისი მინიმალური მნიშვნელობისკენ.
ერთი წერტილი, რომელიც ხშირად აბნევს ხალხს, არის განსხვავება შორისიზოთერმულიწინააღმდეგადიაბატური, მაგრამ სიტყვის ორ ნაწილად დაყოფა დაგეხმარებათ გახსოვდეთ ეს. "ისო" ნიშნავს თანაბარს, ხოლო "თერმული" გულისხმობს რაიმეს სითბოს (ანუ მის ტემპერატურას), ამიტომ "იზოთერმული" სიტყვასიტყვით ნიშნავს "თანაბარ ტემპერატურაზე". ადიაბატური პროცესები არ მოიცავს სითბოსგადაცემა, მაგრამ მათ დროს სისტემის ტემპერატურა ხშირად იცვლება.
იზოთერმული პროცესები და თერმოდინამიკის პირველი კანონი
თერმოდინამიკის პირველი კანონი აცხადებს, რომ შინაგანი ენერგიის ცვლილება (∆U) სისტემისთვის უდრის სისტემაში დამატებულ სითბოს (Q) სისტემის მიერ შესრულებული სამუშაოს გამოკლებით (ვ), ან სიმბოლოებით:
=U = Q - W
როდესაც იზოთერმულ პროცესთან გაქვთ საქმე, სასარგებლო დასკვნის გამოსატანად შეგიძლიათ გამოიყენოთ ის ფაქტი, რომ შინაგანი ენერგია ტემპერატურის პირდაპირპროპორციულია. იდეალური გაზის შიდა ენერგიაა:
U = \ frac {3} {2} nRT
ეს ნიშნავს, რომ მუდმივი ტემპერატურისთვის თქვენ გაქვთ მუდმივი შინაგანი ენერგია. ასე რომ∆U= 0, თერმოდინამიკის პირველი კანონის შეცვლა მარტივად შეიძლება შემდეგნაირად:
Q = W
ან, სიტყვებით, სისტემაში დამატებული სითბო უდრის სისტემის მიერ შესრულებულ სამუშაოს, რაც ნიშნავს, რომ დამატებული სითბო გამოიყენება სამუშაოს შესასრულებლად. მაგალითად, იზოთერმული გაფართოებისას სისტემაში ემატება სითბო, რაც იწვევს მის გაფართოებას, გარემოზე მუშაობას შინაგანი ენერგიის დაკარგვის გარეშე. იზოთერმული კომპრესიის დროს გარემო მუშაობს სისტემაზე და იწვევს სისტემის ენერგიის დაკარგვას სითბოს მსგავსად.
იზოთერმული პროცესები სითბოს ძრავებში
სითბოს ძრავები თერმოდინამიკური პროცესების სრულ ციკლს იყენებენ სითბოს ენერგიის მექანიკურ ენერგიად გადასაქცევად, ჩვეულებრივ დგუშის გადაადგილებით სითბოს ძრავაში გაზის გაფართოებისას. იზოთერმული პროცესები ამ ციკლის ძირითადი ნაწილია, დამატებული სითბოს ენერგია მთლიანად გარდაიქმნება სამუშაოში ყოველგვარი დანაკარგის გარეშე.
ამასთან, ეს არის ძალიან იდეალიზებული პროცესი, რადგან პრაქტიკაში ყოველთვის დაიკარგება გარკვეული ენერგია, როდესაც სითბოს ენერგია გადაკეთდება სამუშაოში. იმისათვის, რომ მან რეალურად იმუშაოს, დასჭირდება უსასრულო დრო, რომ სისტემა მუდმივად დარჩეს თერმული წონასწორობით თავის გარემოცვასთან.
იზოთერმული პროცესები შექცევად პროცესებად ითვლება, რადგან თუ თქვენ დაასრულეთ პროცესი (მაგალითად, იზოთერმული) გაფართოება) შეგიძლიათ იგივე პროცესი უკუქცევით აწარმოოთ (იზოთერმული შეკუმშვა) და დაუბრუნოთ სისტემა თავდაპირველს სახელმწიფო სინამდვილეში, თქვენ შეგიძლიათ იგივე პროცესი აწარმოოთ წინ ან უკან დროში, ფიზიკის რაიმე კანონის დარღვევის გარეშე.
ამასთან, თუ ამას სინამდვილეში შეეცდებოდით, თერმოდინამიკის მეორე კანონი ნიშნავს, რომ გაიზარდა ენტროპია "ფორვარდების" პროცესის დროს, ასე რომ "უკან" სისტემა სრულად არ დააბრუნებს სისტემას თავდაპირველს სახელმწიფო
თუ PV დიაგრამაზე გამოსახავთ იზოთერმულ პროცესს, პროცესის დროს შესრულებული სამუშაო ტოლია მრუდის ქვეშ მდებარე ფართობისა. მიუხედავად იმისა, რომ ამ გზით შეგიძლიათ იზოტერმიულად შესრულებული სამუშაო გამოთვალოთ, ხშირად უფრო ადვილია თერმოდინამიკის პირველი კანონის გამოყენება და ის, რომ შესრულებული სამუშაო უდრის სისტემაში დამატებულ სითბოს.
იზოტერმული პროცესების დროს შესრულებული სხვა გამონათქვამები
თუ იზოთერმული პროცესის გამოთვლებს აკეთებთ, კიდევ რამდენიმე განტოლება შეგიძლიათ გამოიყენოთ, რომ იპოვოთ შესრულებული სამუშაო. პირველი მათგანია:
W = nRT \ ln \ bigg (\ frac {V_f} {V_i} \ bigg)
სადვვ არის საბოლოო ტომი დავმე საწყისი ტომია. გაზის იდეალური კანონის გამოყენებით შეგიძლიათ შეცვალოთ საწყისი წნევა და მოცულობა (პმე დავმე) სთვისnRTამ განტოლებაში მიიღე:
W = P_iV_i \ ln \ bigg (\ frac {V_f} {V_i} \ bigg)
უმეტეს შემთხვევაში შეიძლება უფრო ადვილი იყოს მუშაობის დამატება სითბოს საშუალებით, მაგრამ თუ თქვენ გაქვთ მხოლოდ ინფორმაცია წნევის, მოცულობის ან ტემპერატურის შესახებ, ამ განტოლებებიდან ერთმა შეიძლება გაამარტივოს პრობლემა. მას შემდეგ, რაც სამუშაო ენერგიის ფორმაა, მისი ერთეულია ჯული (J).
სხვა თერმოდინამიკური პროცესები
მრავალი სხვა თერმოდინამიკური პროცესია და ბევრი მათგანი შეიძლება კლასიფიცირდეს იზოთერმული პროცესების ანალოგიურად, გარდა იმისა, რომ ტემპერატურის გარდა სხვა რაოდენობა მუდმივია მთელ პერიოდში. იზობარული პროცესი არის ის, რაც ხდება მუდმივი წნევის დროს და ამის გამო, კონტეინერის კედლებზე მოქმედი ძალა მუდმივია და შესრულებულ სამუშაოს აძლევსვ = P∆V.
გაზისთვის, რომელიც განიცდის იზობარულ გაფართოებას, საჭიროა მოხდეს სითბოს გადაცემა, წნევის მუდმივი შენარჩუნების მიზნით და ეს სითბო ცვლის სისტემის შიდა ენერგიას და ასევე სამუშაოს შესრულებას.
იზოკორული პროცესი ხდება მუდმივ მოცულობაში. ეს საშუალებას გაძლევთ გამარტივდეთ თერმოდინამიკის პირველ კანონში, რადგან თუ მოცულობა მუდმივია, სისტემას არ შეუძლია იმუშაოს გარემოზე. შედეგად, სისტემის შიდა ენერგიის ცვლილება მთლიანად განპირობებულია გადაცემული სითბოსგან.
ადიაბატური პროცესია ის, რაც ხდება სისტემასა და გარემოს შორის სითბოს გაცვლის გარეშე. ეს არ ნიშნავს, რომ სისტემაში არ შეიცვლება ტემპერატურა, რადგან პროცესმა შეიძლება გამოიწვიოს ტემპერატურის ზრდა ან შემცირება პირდაპირი სითბოს გადაცემის გარეშე. ამასთან, სითბოს გადაცემის გარეშე, პირველი კანონი აჩვენებს, რომ შინაგანი ენერგიის ნებისმიერი ცვლილება უნდა მოხდეს სისტემაზე ან სისტემაში შესრულებულმა სამუშაოებმა, რადგან იგი ადგენსQ= 0 განტოლებაში.