Izoforiniai procesai: apibrėžimas, lygtis ir pavyzdžiai

Izohorinis procesas yra vienas iš kelių idealizuotų termodinaminių procesų, aprašančių, kaip gali pasikeisti idealių dujų būsenos. Jis apibūdina dujų elgesį uždarame inde esant pastoviam tūriui. Šioje situacijoje, pridedant energijos, keičiasi tik dujų temperatūra; jis nedirba savo aplinkoje. Taigi nesisuka varikliai, juda stūmokliai ir nevyksta jokia naudinga galia.

Izochorinis procesas (kartais vadinamas izovolumetriniu arba izometriniu procesu) yra termodinaminis procesas, vykstantis pastoviu tūriu. Kadangi tūris nesikeičia, slėgio ir temperatūros santykis palaiko pastovią vertę.

Tai galima suprasti pradedant idealiu dujų įstatymu:

PV = nRT

Kur P yra absoliutus dujų slėgis, V yra tūris, n yra dujų kiekis, R yra ideali dujų konstanta (8,31 J / mol K) ir T yra temperatūra.

Kai tūris yra pastovus, šį dėsnį galima pertvarkyti, kad būtų parodyta, jog santykis P į T taip pat turi būti pastovi:

Ši matematinė slėgio ir temperatūros santykio išraiška yra žinoma kaip

Kur P₁ ir T₁ yra pradinis dujų slėgis ir temperatūra, ir P₂ ir T₂ yra galutinės vertės.

Slėgio ir temperatūros grafike arba PV diagramoje izohorinis procesas vaizduojamas vertikalia linija.

Teflonas (PTFE) - nereaguojanti ir slidi medžiaga planetoje, naudojama daugelyje pramonė - nuo kosminės aviacijos iki maisto gaminimo - buvo atsitiktinis atradimas, atsirandantis dėl izohoro procesą. 1938 m. „DuPont“ chemikas Roy Plunkettas pastatė krūvą mažų cilindrų laikyti tetrafluoretileno dujos, skirtos naudoti šaldymo technologijose, kurias jis tada labai atvėsino žema temperatūra.

Kai vėliau „Plunkett“ atsidarė, dujų neišėjo, nors baliono masė nepakito. Jis susmulkino mėgintuvėlį, kad ištirtų, ir pamatė vidų dengiančius baltus miltelius, kurie vėliau pasirodė nepaprastai naudingi komercinių savybių.

Pagal Gay-Lussaco dėsnį, kai temperatūra greitai krito, sumažėjo slėgis pradėti fazinį dujų pasikeitimą.

Pirmasis termodinamikos dėsnis teigia, kad sistemos vidinės energijos pokytis yra lygus šilumai, pridedamai prie sistemos, atėmus sistemos atliktą darbą. (Kitaip tariant, energijos sąnaudos atėmus energijos išvestį.)

Idealių dujų darbas apibrėžiamas kaip slėgis, padaugintas iš tūrio pokyčio, arba PΔV (arba PdV). Nes keičiasi garsumas ΔV izochoriniame procese yra nulis, tačiau dujos nedirba.

Vadinasi, dujų vidinės energijos pokytis yra tiesiog lygus pridėtinės šilumos kiekiui.

A pavyzdys beveik izochorinis procesas yra greitpuodis. Uždarytas uždaras, viduje esantis tūris negali pasikeisti, todėl, pridedant šilumos, slėgis ir temperatūra greitai padidėja. Tiesą sakant, greitpuodžiai šiek tiek išsiplečia, o iš viršaus esančio vožtuvo išsiskiria šiek tiek dujų.

Šiluminiai varikliai yra įtaisai, kurie naudoja šilumos perdavimą tam tikram darbui atlikti. Jie naudoja ciklinę sistemą, kad paverstą šilumos energiją paverstų mechanine energija arba judesiu. Pavyzdžiui, garo turbinos ir automobilių varikliai.

Izoforiniai procesai naudojami daugelyje įprastų šilumos variklių. The Otto ciklas, pavyzdžiui, yra automobilių variklių termodinaminis ciklas, apibūdinantis šilumos perdavimo procesą uždegimo metu, galios smūgį judantys variklio stūmokliai, kad automobilis važiuotų, šilumos išsiskyrimas ir suspaudimo smūgio grįžtantys stūmokliai pozicijas.

Otto cikle pirmas ir trečias žingsniai, šilumos pridėjimas ir išskyrimas, laikomi izohoriniais procesais. Ciklas daro prielaidą, kad šilumos pokyčiai įvyksta akimirksniu, nekeičiant dujų tūrio. Taigi darbas su transporto priemone atliekamas tik galios ir suspaudimo smūgio fazėse.

Šilumos variklio atliktas darbas naudojant „Otto“ ciklą diagramoje pavaizduotas plotu po kreive. Tai yra nulis, kai vyksta šilumos papildymo ir išsiskyrimo izohoriniai procesai (vertikalios linijos).

Tokie izoforiniai procesai paprastai yra negrįžtami procesai. Pridėjus šilumos, vienintelis būdas grąžinti sistemą į pradinę būseną yra kažkaip pašalinti šilumą dirbant.

Izoforiniai procesai yra tik vienas iš kelių idealizuotų termodinaminių procesų, apibūdinančių mokslininkams ir inžinieriams naudingų dujų elgseną.

Kai kurie kiti yra išsamiau aptarti kitoje svetainės vietoje:

Izobarinis procesas. Taip yra todėl, kad vietos atmosferos slėgis daugumoje vietovių, pavyzdžiui, virtuvėje, kurioje kažkas gamina makaronus, labai nesikeičia. Darant prielaidą, kad galioja idealus dujų įstatymas, temperatūra, padalyta iš tūrio, yra pastovi izobarinio proceso vertė.

Izoterminis procesas: Tai vyksta esant pastoviai temperatūrai. Pavyzdžiui, keičiantis fazei, pavyzdžiui, vandeniui verdant nuo puodo viršaus, temperatūra yra pastovi. Šaldytuvai taip pat naudoja izoterminius procesus, o pramoninis pritaikymas yra „Carnot“ variklis. Toks procesas yra lėtas, nes papildoma šiluma turi būti lygi šilumai, prarastai dirbant, kad bendra temperatūra būtų pastovi. Darant prielaidą, kad taikomas idealus dujų įstatymas, slėgio ir tūrio tūris yra pastovi izoterminio proceso vertė.

Adiabatinis procesas: Nėra šilumos ar medžiagų mainų su aplinka, nes dujos ar skystis keičia tūrį. Vietoj to, vienintelis rezultatas adiabatiniame procese yra darbas. Yra du atvejai, kai gali įvykti adiabatinis procesas. Bet kuriuo atveju procesas vyksta per greitai, kad šiluma galėtų patekti į visą sistemą arba iš jos išeiti, pavyzdžiui, dujinio variklio gniuždymo eiga arba tai vyksta taip gerai izoliuotoje talpykloje apskritai barjeras.

Kaip ir kiti čia paaiškinti termodinamikos procesai, joks procesas nėra iš tikrųjų adiabatinis, tačiau priartinimas prie šio idealo yra naudingas fizikoje ir inžinerijoje. Pavyzdžiui, kompresorių, turbinų ir kitų termodinaminių mašinų apibūdinimas yra adiabatinis efektyvumas: faktinio darbo, kurį atlieka mašina, santykio su tuo, kiek darbo jis atliktų, jei atliktų tikrąją vertę adiabatinis procesas.