등압 공정: 정의, 공식 및 예

몇 가지 이상화 된 열역학 프로세스는 이상 기체의 상태가 어떻게 변할 수 있는지 설명합니다. 등압 과정은 이들 중 하나 일뿐입니다.

열역학은 열 에너지 (열 에너지)의 전달로 인해 시스템에서 발생하는 변화에 대한 연구입니다. 온도가 다른 두 시스템이 서로 접촉 할 때마다 열 에너지가 더 뜨거운 시스템에서 더 차가운 시스템으로 전달됩니다.

이 열 전달이 발생하는 방식에 영향을 미치는 다양한 변수가 있습니다. 관련된 재료의 분자 특성은 열 에너지가 한 시스템에서 다른 시스템으로 얼마나 빠르고 쉽게 이동할 수 있는지에 영향을줍니다. 예를 들어, 비열 용량 (단위 질량을 섭씨 1도 올리는 데 필요한 열량)은 최종 결과에 영향을 미칩니다. 온도.

가스에 관해서는 열 에너지가 전달 될 때 더 많은 흥미로운 현상이 발생합니다. 가스는 크게 팽창 및 수축 할 수 있으며, 가스가 갇혀있는 컨테이너, 시스템 압력 및 온도에 따라 가스가 어떻게 팽창하고 수축하는지에 따라 다릅니다. 따라서 가스가 작동하는 방식을 이해하는 것은 열역학을 이해하는 데 중요합니다.

운동 이론은 가스를 모델링하는 방법을 제공하여 통계 역학을 적용 할 수 있으며 결과적으로 일련의 상태 변수를 통해 시스템을 정의 할 수 있습니다.

기체가 무엇인지 생각해보십시오. 분자들이 서로 자유롭게 움직일 수 있습니다. 기체를 이해하기 위해서는 가장 기본적인 성분 인 분자를 살펴 보는 것이 좋습니다. 그러나 당연히 이것은 매우 빠르게 번거로워집니다. 예를 들어 공기로 가득 찬 유리 안에있는 분자의 수를 상상해보십시오. 많은 입자가 서로 상호 작용하는 것을 추적 할 수있을만큼 강력한 컴퓨터는 없습니다.

대신, 기체를 무작위로 움직이는 입자 모음으로 모델링하여 입자의 제곱 평균 속도로 전체 그림을 이해하려면 예. 각 개별 입자와 관련된 에너지를 식별하는 대신 분자의 평균 운동 에너지에 대해 말하기 시작하는 것이 편리해집니다.

이러한 수량은 시스템 상태를 설명하는 수량 인 상태 변수를 정의하는 기능으로 이어집니다. 여기서 논의되는 주요 상태 변수는 압력 (단위 면적당 힘), 부피 (양 가스가 차지하는 공간)과 온도 (평균 운동 에너지의 척도) 분자). 이러한 상태 변수가 서로 어떻게 관련되어 있는지 연구함으로써 거시적 규모의 열역학적 과정을 이해할 수 있습니다.

이상 기체는 다음과 같은 가정이 이루어진 기체입니다.

분자는 공간을 차지하지 않는 점 입자처럼 취급 될 수 있습니다. (이 경우 고압이 허용되지 않거나 분자가 충분히 가까워져 부피가 적절 해집니다.)

분자간 힘과 상호 작용은 무시할 수 있습니다. (이 경우에는 온도가 너무 낮을 수 없습니다. 온도가 너무 낮 으면 분자간 힘이 상대적으로 더 큰 역할을하기 시작합니다.)

분자들은 서로 완벽하게 탄성 충돌을 일으키며 용기의 벽과 상호 작용합니다. (이것은 운동 에너지 보존 가정을 허용합니다.)

이러한 가정이 이루어지면 일부 관계가 분명해집니다. 이 중 이상 기체 법칙은 다음과 같이 방정식 형식으로 표현됩니다.

어디피압력,V볼륨,티온도,엔두더지의 수,엔분자의 수,아르 자형보편적 인 기체 상수,케이볼츠만 상수이고nR = Nk​.

이상 기체 법칙과 밀접한 관련이있는 Charles의 법칙은 일정한 압력의 경우 부피와 온도가 정비례하거나V / T= 상수.

등압 과정은 일정한 압력에서 발생하는 열역학적 과정입니다. 이 영역에서는 압력이 일정하기 때문에 Charles의 법칙이 적용됩니다.

압력이 일정하게 유지 될 때 발생할 수있는 프로세스 유형에는 등압 팽창이 포함됩니다. 온도가 감소하는 동안 증가하고 체적이 감소하는 동안 온도가 감소하는 등압 수축 증가합니다.

전자 레인지에 넣기 전에 플라스틱의 통풍구를 잘라야하는 전자 레인지 식사를 조리 한 적이 있다면 이는 등압 팽창 때문입니다. 전자 레인지 내부에서 플라스틱으로 덮인 식사 트레이 내부와 외부의 압력은 항상 동일하며 항상 균형을 이룹니다. 그러나 음식이 요리되고 가열됨에 따라 온도 상승으로 인해 트레이 내부의 공기가 팽창합니다. 통풍구가없는 경우 플라스틱이 터질 때까지 팽창 할 수 있습니다.

집에서 빠른 등압 압축 실험을 위해 팽창 된 풍선을 냉동실에 넣으십시오. 다시 말하지만, 풍선 내부와 외부의 압력은 항상 균형을 이룹니다. 그러나 풍선 안의 공기가 식 으면 결과적으로 수축됩니다.

가스가 들어있는 용기가 자유롭게 팽창 및 수축하고 외부 압력이 일정하게 유지된다면 압력의 차이는 그 차이가 될 때까지 팽창 또는 수축을 유발하기 때문에 과정은 등압이 될 것입니다. 해결되었습니다.

열역학의 첫 번째 법칙은 내부 에너지의 변화가유시스템에 추가 된 열 에너지 양의 차이와 같습니다.큐시스템에 의해 수행 된 네트워크 작업W. 방정식 형식에서 이것은 다음과 같습니다.

온도는 분자 당 평균 운동 에너지라는 것을 상기하십시오. 총 내부 에너지는 모든 분자의 운동 에너지의 합이됩니다 (이상 기체의 경우 잠재적 에너지는 무시할 수있는 것으로 간주 됨). 따라서 시스템의 내부 에너지는 온도에 정비례합니다. 이상 기체 법칙은 압력과 부피를 온도와 관련시키기 때문에 내부 에너지도 압력과 부피의 곱에 비례합니다.

따라서 시스템에 열 에너지가 추가되면 내부 에너지와 마찬가지로 온도가 증가합니다. 시스템이 환경에서 작동하면 그 양의 에너지가 환경으로 손실되고 온도와 내부 에너지가 감소합니다.

PV 다이어그램 (압력 대 부피), 등압 과정은 수평선 그래프처럼 보입니다. 열역학적 공정 중 수행되는 작업의 양은 PV 곡선 아래의 면적과 같으므로 등압 공정에서 수행되는 작업은 간단합니다.

열 엔진은 일종의 완전한 사이클을 통해 열 에너지를 기계적 에너지로 변환합니다. 이를 위해서는 일반적으로 작업을 수행하고 외부에 에너지를 전달하기 위해주기 중 어느 시점에서 시스템을 확장해야합니다.

삼각 플라스크가 플라스틱 튜브를 통해 유리 주사기에 연결된 예를 고려해보십시오. 이 시스템에는 고정 된 양의 공기가 갇혀 있습니다. 주사기의 플런저가 자유롭게 미끄러 져 움직일 수있는 피스톤의 역할을 한 다음 플라스크를 열탕 (온수 욕조)에 넣으면 공기가 팽창하여 플런저를 들어 올려 작업을 수행합니다.

이러한 열 엔진의 사이클을 완료하려면 주사기가 다시 시작 상태로 돌아갈 수 있도록 플라스크를 냉수 조에 넣어야합니다. 플런저를 사용하여 질량을 들어 올리거나 이동하면서 다른 형태의 기계 작업을 수행하는 추가 단계를 추가 할 수 있습니다.

다른 기사에서 자세히 설명하는 다른 프로세스는 다음과 같습니다.

​등온온도가 일정하게 유지되는 프로세스. 일정한 온도에서 압력은 부피에 반비례하고 등온 압축은 압력을 증가시키고 등온 팽창은 압력을 감소시킵니다.

에등각공정에서 가스의 부피는 일정하게 유지됩니다 (가스를 담는 용기는 단단하게 유지되며 팽창하거나 수축 할 수 없습니다). 여기서 압력은 온도에 정비례합니다. 볼륨이 변경되지 않으므로 시스템에서 또는 시스템에서 작업을 수행 할 수 없습니다.

에단열과정, 열은 환경과 교환되지 않습니다. 열역학 제 1 법칙에서 이것은큐= 0이므로 내부 에너지의 모든 변화는 시스템에서 수행되는 작업과 직접적으로 일치합니다.