Izoterminiai procesai: apibrėžimas, formulė ir pavyzdžiai

Suprasti, kas yra skirtingi termodinaminiai procesai ir kaip jūs naudojate pirmąjį termodinamikos dėsnį, yra labai svarbu, kai pradedate svarstyti šilumos variklius ir Karno ciklus.

Daugelis procesų yra idealizuoti, todėl, nors jie ir tiksliai neatspindi, kaip viskas vyksta realiame pasaulyje, tai yra naudingi apytiksliai skaičiai, kurie supaprastina skaičiavimus ir palengvina piešimą išvados. Šie idealizuoti procesai apibūdina, kaip gali pasikeisti idealių dujų būsenos.

Izoterminis procesas yra tik vienas pavyzdys ir tai, kad jis pagal apibrėžimą vyksta vienoje temperatūroje smarkiai supaprastina darbą su pirmuoju termodinamikos dėsniu, kai skaičiuojate tokius dalykus kaip šilumos variklis procesus.

Izoterminis procesas yra termodinaminis procesas, vykstantis pastovioje temperatūroje. Darbas pastovioje temperatūroje ir naudojant idealias dujas yra tas, kad galite naudoti Boyle'o įstatymą ir idealų dujų įstatymą, kad susietumėte slėgį ir tūrį. Abi šios išraiškos (kadangi Boyle'o dėsnis yra vienas iš kelių dėsnių, kurie buvo įtraukti į idealų dujų įstatymą) rodo atvirkštinį slėgio ir tūrio santykį. Boyle'o įstatymas reiškia, kad:

Kai abonementai žymi spaudimą (P) ir tūris (V) 1 momentu, o slėgis ir tūris 2 metu. Lygtis rodo, kad, pavyzdžiui, jei tūris padvigubėja, slėgis turi sumažėti perpus, kad lygtis būtų subalansuota, ir atvirkščiai. Visiškas idealus dujų įstatymas yra

kurnyra dujų molių skaičius,Ryra universali dujų konstanta irTyra temperatūra. Su fiksuotu dujų kiekiu ir fiksuota temperatūra,PVturi būti pastovi vertė, kuri veda prie ankstesnio rezultato.

Slėgio ir tūrio (PV) diagramoje, kuri yra slėgio diagrama vs. tūris, dažnai naudojamas termodinaminiams procesams, izoterminis procesas atrodo kaip grafikasy​ = 1/​x, lenkiantis žemyn link jos minimalios vertės.

Vienas dalykas, kuris dažnai glumina žmones, yra skirtumasizoterminispriešadiabatinis, bet suskaidę žodį į dvi dalis galite tai prisiminti. „Iso“ reiškia vienodą, o „terminis“ reiškia kažkieno šilumą (t. Y. Jo temperatūrą), todėl „izoterminis“ pažodžiui reiškia „esant vienodai temperatūrai“. Adiabatiniai procesai nėra susiję su šilumaperkėlimas, tačiau jų metu dažnai keičiasi sistemos temperatūra.

Pirmasis termodinamikos dėsnis teigia, kad vidinės energijos pokytis (∆U) sistemai yra lygi į sistemą pridėtai šilumai (Klausimas) atėmus sistemos atliktą darbą (W) arba simboliais:

Kai susiduriate su izoterminiu procesu, galite naudoti faktą, kad vidinė energija yra tiesiogiai proporcinga temperatūrai šalia šio dėsnio, kad padarytumėte naudingą išvadą. Idealių dujų vidinė energija yra:

Tai reiškia, kad esant pastoviai temperatūrai turite pastovią vidinę energiją. Taigi su∆U= 0, pirmasis termodinamikos dėsnis gali būti lengvai pertvarkytas taip:

Arba, žodžiais tariant, į sistemą įdėta šiluma yra lygi sistemos atliktam darbui, tai reiškia, kad pridėta šiluma naudojama darbui atlikti. Pavyzdžiui, izoterminės ekspansijos metu į sistemą pridedama šiluma, dėl kurios ji plečiasi, dirbdama aplinką, neprarasdama vidinės energijos. Izoterminio suspaudimo metu aplinka veikia sistemą, todėl sistema praranda šią energiją kaip šilumą.

Šilumos varikliai naudoja visą termodinaminių procesų ciklą, kad paverstų šilumos energiją mechanine energija, dažniausiai judindami stūmoklį, kai šilumos variklyje esančios dujos plečiasi. Izoterminiai procesai yra pagrindinė šio ciklo dalis, o papildoma šilumos energija visiškai paverčiama darbu be nuostolių.

Tačiau tai yra labai idealizuotas procesas, nes praktiškai visada energija bus prarasta, kai šilumos energija bus paversta darbu. Norint, kad jis veiktų realybėje, reikės skirti begalę laiko, kad sistema galėtų visą laiką išlikti šiluminėje pusiausvyroje su aplinka.

Izoterminiai procesai laikomi grįžtamaisiais procesais, nes jei jūs baigėte procesą (pavyzdžiui, izoterminis išplėtimas) galite paleisti tą patį procesą atvirkščiai (izoterminis suspaudimas) ir grąžinti sistemą į pradinę valstija. Iš esmės tą patį procesą galite paleisti į priekį arba atgal laiku nepažeisdami jokių fizikos dėsnių.

Tačiau jei bandytumėte tai realiame gyvenime, antrasis termodinamikos dėsnis reikštų, kad padidėjo entropija „pirmyn“ proceso metu, todėl „atgal“ visiškai negrąžins sistemos pradinės padėties valstija.

Jei izoterminį procesą nubraižote PV diagramoje, proceso metu atliktas darbas yra lygus plotui po kreive. Nors tokiu būdu galite apskaičiuoti atliktą darbą izotermiškai, dažnai paprasčiau pasinaudoti pirmuoju termodinamikos dėsniu ir tuo, kad atliktas darbas yra lygus sistemai pridedamai šilumai.

Jei atliekate izoterminio proceso skaičiavimus, yra keletas kitų lygčių, kurias galite naudoti atliktam darbui rasti. Pirmasis iš jų yra:

KurV​_f yra galutinis tūris irV​_i yra pradinis tūris. Naudodamiesi idealiu dujų įstatymu, galite pakeisti pradinį slėgį ir tūrį (P​_i irV​_i) užnRTšioje lygtyje gauti:

Daugeliu atvejų gali būti lengviau dirbti per pridėtą šilumą, bet jei turite informacijos tik apie slėgį, tūrį ar temperatūrą, viena iš šių lygčių gali supaprastinti problemą. Kadangi darbas yra energijos forma, jo vienetas yra džaulis (J).

Yra daugybė kitų termodinaminių procesų, ir daugelį jų galima klasifikuoti panašiai kaip izoterminius procesus, išskyrus tai, kad kiti nei temperatūros kiekiai yra pastovūs. Izobarinis procesas vyksta nuolat veikiant slėgiui, todėl ant konteinerio sienų veikiama jėga yra pastovi, o atliktą darbą suteikia:W​ = ​P∆V​.

Norint išlaikyti pastovią slėgį izobarinės dujos, reikia šilumos perdavimo, o ši šiluma keičia sistemos vidinę energiją ir dirba.

Izokhorinis procesas vyksta pastoviu tūriu. Tai leidžia jums supaprastinti pirmąjį termodinamikos dėsnį, nes jei tūris yra pastovus, sistema negali dirbti su aplinka. Dėl to sistemos vidinės energijos pokytis priklauso tik nuo perduotos šilumos.

Adiabatinis procesas vyksta be šilumos mainų tarp sistemos ir aplinkos. Tai nereiškia, kad sistemoje temperatūra nesikeičia, nes procesas be tiesioginio šilumos perdavimo gali sukelti temperatūros padidėjimą arba sumažėjimą. Tačiau be šilumos perdavimo, pirmasis dėsnis rodo, kad bet koks vidinės energijos pokytis turi atsirasti dėl sistemos ar sistemos atlikto darbo, nes jis nustatoKlausimas= 0 lygtyje.