열역학 프로세스가 무엇이고 열역학의 제 1 법칙을 각 프로세스에 어떻게 사용하는지 이해하는 것은 열 엔진과 카르노 사이클을 고려하기 시작할 때 중요합니다.
많은 프로세스가 이상화되어 있기 때문에 상황이 어떻게 발생하는지 정확하게 반영하지는 않습니다. 실제 세계에서는 계산을 단순화하고 쉽게 그릴 수있는 유용한 근사치입니다. 결론. 이러한 이상화 된 프로세스는 이상 기체의 상태가 어떻게 변화 할 수 있는지 설명합니다.
등온 과정은 하나의 예일 뿐이며 정의에 따라 단일 온도에서 발생한다는 사실 열 엔진과 같은 것을 계산할 때 열역학 제 1 법칙 작업을 대폭 단순화합니다. 프로세스.
등온 프로세스 란?
등온 과정은 일정한 온도에서 발생하는 열역학적 과정입니다. 일정한 온도에서 이상 기체로 작업 할 때의 이점은 Boyle의 법칙과 이상 기체의 법칙을 사용하여 압력과 부피를 관련시킬 수 있다는 것입니다. Boyle의 법칙은 이상 기체 법칙에 통합 된 여러 법칙 중 하나이므로이 두 표현은 압력과 부피 사이의 역 관계를 보여줍니다. 보일의 법칙은 다음을 의미합니다.
P_1V_1 = P_2V_2
아래 첨자는 압력 (피) 및 볼륨 (V) 시간 1에서 압력과 부피 2에서 이 방정식은 예를 들어 부피가 두 배가되면 방정식의 균형을 유지하기 위해 압력을 절반으로 줄여야하며 그 반대의 경우도 마찬가지임을 보여줍니다. 완전한 이상 기체 법칙은
PV = nRT
어디엔가스의 몰수,아르 자형보편적 인 기체 상수이고티온도입니다. 일정량의 가스와 고정 된 온도로PV이전 결과로 이어지는 상수 값을 가져야합니다.
압력-체적 (PV) 다이어그램에서 압력 대 열역학적 공정에 자주 사용되는 체적, 등온 공정은 다음 그래프처럼 보입니다.와이 = 1/엑스, 최소값을 향해 아래쪽으로 구부러집니다.
사람들을 자주 혼동하는 한 가지 점은등온대단열하지만 단어를 두 부분으로 나누면이를 기억하는 데 도움이됩니다. 'Iso'는 동일 함을 의미하고 'thermal'은 무언가의 열 (즉, 온도)을 의미하므로 '등온'은 문자 그대로 '동등한 온도에서'를 의미합니다. 단열 과정은 열을 포함하지 않습니다.이전그러나 시스템의 온도는 종종 변경됩니다.
등온 과정과 열역학 제 1 법칙
열역학의 첫 번째 법칙은 내부 에너지의 변화 (∆U) 시스템의 경우 시스템에 추가 된 열 (큐)에서 시스템에서 수행 한 작업 (W) 또는 기호 :
∆U = Q-W
등온 과정을 다룰 때 내부 에너지가이 법칙과 함께 온도에 정비례한다는 사실을 사용하여 유용한 결론을 도출 할 수 있습니다. 이상 기체의 내부 에너지는 다음과 같습니다.
U = \ frac {3} {2} nRT
이것은 일정한 온도에 대해 일정한 내부 에너지를 가지고 있음을 의미합니다. 그래서∆U= 0, 열역학 제 1 법칙은 다음과 같이 쉽게 재정렬 될 수 있습니다.
Q = W
즉, 시스템에 추가 된 열은 시스템에서 수행 한 작업과 동일합니다. 즉, 추가 된 열이 작업을 수행하는 데 사용됩니다. 예를 들어 등온 팽창에서는 시스템에 열이 추가되어 시스템이 확장되어 내부 에너지를 잃지 않고 환경에 대한 작업을 수행합니다. 등온 압축에서 환경은 시스템에서 작동하며 시스템이이 에너지를 열로 잃게합니다.
열 엔진의 등온 공정
열 엔진은 열역학 프로세스의 전체 사이클을 사용하여 열 에너지를 기계적 에너지로 변환합니다. 일반적으로 열 엔진의 가스가 팽창 할 때 피스톤을 움직입니다. 등온 공정은이 사이클의 핵심 부분이며 추가 된 열 에너지는 손실없이 작업으로 완전히 전환됩니다.
그러나 실제로는 열 에너지가 작업으로 변환 될 때 항상 약간의 에너지가 손실되기 때문에 이것은 매우 이상적인 프로세스입니다. 실제로 작동하려면 시스템이 주변 환경과 항상 열 평형 상태를 유지할 수 있도록 무한한 시간이 필요합니다.
등온 프로세스는 프로세스를 완료 한 경우 (예: 등온 프로세스) 가역 프로세스로 간주됩니다. 확장) 동일한 프로세스를 역으로 실행하고 (등온 압축) 시스템을 원래 상태로 되돌릴 수 있습니다. 상태. 본질적으로 물리학 법칙을 위반하지 않고 동일한 프로세스를 앞뒤로 실행할 수 있습니다.
그러나 실생활에서 이것을 시도했다면 열역학 제 2 법칙은 "앞으로"프로세스 동안 엔트로피를 사용하므로 "뒤로"시스템을 원래 상태로 완전히 되 돌리지 못합니다. 상태.
PV 다이어그램에 등온 프로세스를 플로팅하면 프로세스 중에 수행 된 작업이 곡선 아래 영역과 같습니다. 이러한 방식으로 등온 적으로 수행 된 작업을 계산할 수 있지만 열역학의 제 1 법칙을 사용하는 것이 더 쉽고 수행 된 작업이 시스템에 추가 된 열과 같다는 사실을 사용하는 것이 더 쉽습니다.
등온 프로세스에서 수행되는 작업에 대한 기타 표현
등온 과정에 대한 계산을 수행하는 경우 완료된 작업을 찾는 데 사용할 수있는 몇 가지 다른 방정식이 있습니다. 첫 번째는 다음과 같습니다.
W = nRT \ ln \ bigg (\ frac {V_f} {V_i} \ bigg)
어디V에프 최종 볼륨이고V나는 초기 볼륨입니다. 이상 기체 법칙을 사용하여 초기 압력 및 부피 (피나는 과V나는)nRT이 방정식에서 다음을 얻습니다.
W = P_iV_i \ ln \ bigg (\ frac {V_f} {V_i} \ bigg)
대부분의 경우 추가 된 열을 통해 작업하는 것이 더 쉬울 수 있지만 압력, 부피 또는 온도에 대한 정보 만 있으면 이러한 방정식 중 하나가 문제를 단순화 할 수 있습니다. 일은 에너지의 한 형태이므로 단위는 줄 (J)입니다.
기타 열역학 프로세스
다른 많은 열역학적 공정이 있으며, 온도 이외의 양이 전체적으로 일정하다는 점을 제외하고는 이들 중 다수가 등온 공정과 유사한 방식으로 분류 될 수 있습니다. 등압 과정은 일정한 압력에서 발생하는 과정이며, 이로 인해 용기 벽에 가해지는 힘은 일정하며 수행되는 작업은W = P∆V.
등압 팽창을 겪는 가스의 경우 압력을 일정하게 유지하기 위해 열 전달이 필요하며, 이 열은 시스템의 내부 에너지를 변화시키고 작업을 수행합니다.
등각 과정은 일정한 볼륨으로 발생합니다. 이렇게하면 열역학의 제 1 법칙을 단순화 할 수 있습니다. 부피가 일정하면 시스템이 환경에서 작동 할 수 없기 때문입니다. 결과적으로 시스템 내부 에너지의 변화는 전적으로 열 전달 때문입니다.
단열 프로세스는 시스템과 환경 간의 열 교환없이 발생하는 프로세스입니다. 그렇다고 시스템에 온도 변화가 없다는 의미는 아닙니다. 공정이 직접적인 열 전달없이 온도를 높이거나 낮출 수 있기 때문입니다. 그러나 열 전달이없는 첫 번째 법칙은 내부 에너지의 모든 변화가 시스템 또는 시스템에서 수행 된 작업 때문이어야 함을 보여줍니다.큐= 0입니다.