Izotermiskie procesi: definīcija, formula un piemēri

Izpratne par to, kas ir dažādi termodinamiskie procesi un kā jūs izmantojat pirmo termodinamikas likumu, ir ļoti svarīgs, kad sākat apsvērt siltuma dzinējus un Karnot ciklus.

Daudzi no procesiem ir idealizēti, tāpēc, lai arī tie precīzi neatspoguļo to, kā lietas notiek reālajā pasaulē tie ir noderīgi tuvinājumi, kas vienkāršo aprēķinus un atvieglo zīmēšanu secinājumi. Šie idealizētie procesi apraksta, kā var mainīties ideālas gāzes stāvokļi.

Izotermiskais process ir tikai viens piemērs, un fakts, ka tas pēc definīcijas notiek vienā temperatūrā krasi vienkāršo darbu ar pirmo termodinamikas likumu, aprēķinot tādas lietas kā siltuma dzinējs procesi.

Izotermisks process ir termodinamisks process, kas notiek nemainīgā temperatūrā. Strādājot nemainīgā temperatūrā un ar ideālu gāzi, ieguvums ir tas, ka spiediena un tilpuma salīdzināšanai varat izmantot Boila likumu un ideālo gāzes likumu. Abi šie izteicieni (tā kā Boila likums ir viens no vairākiem likumiem, kas tika iekļauti ideālajā gāzes likumā) parāda apgrieztas attiecības starp spiedienu un tilpumu. Boila likums nozīmē, ka:

Ja abonenti apzīmē spiedienu (P) un apjomu (V) laikā 1 un spiedienu un tilpumu laikā 2. Vienādojums rāda, ka, piemēram, ja tilpums dubultojas, spiedienam ir jāsamazinās uz pusi, lai vienādojums būtu līdzsvarots, un otrādi. Pilns ideālais gāzes likums ir

kurnir gāzes molu skaits,Rir universālā gāzes konstante unTir temperatūra. Ar fiksētu gāzes daudzumu un fiksētu temperatūru,PVjāņem konstanta vērtība, kas noved pie iepriekšējā rezultāta.

Uz spiediena un tilpuma (PV) diagrammas, kas ir spiediena diagramma vs. tilpums, ko bieži izmanto termodinamiskiem procesiem, izotermisks process izskatās kā grafiksy​ = 1/​x, izliekoties uz leju tā minimālās vērtības virzienā.

Viens punkts, kas bieži vien mulsina cilvēkus, ir atšķirībaizotermisksvs.adiabātisks, bet vārda sadalīšana divās daļās var palīdzēt to atcerēties. "Iso" nozīmē vienādu un "termisks" attiecas uz kaut ko siltumu (t.i., tā temperatūru), tāpēc "izotermisks" burtiski nozīmē "vienādā temperatūrā". Adiabātiskie procesi neietver siltumunodošana, bet to laikā sistēmas temperatūra bieži mainās.

Pirmais termodinamikas likums nosaka, ka iekšējās enerģijas izmaiņas (∆U) sistēmai ir vienāda ar sistēmai pievienoto siltumu (J) atskaitot sistēmas paveikto darbu (W) vai simbolos:

Kad jūs nodarbojaties ar izotermisku procesu, varat izmantot faktu, ka iekšējā enerģija ir tieši proporcionāla temperatūrai blakus šim likumam, lai izdarītu noderīgu secinājumu. Ideālas gāzes iekšējā enerģija ir:

Tas nozīmē, ka pastāvīgai temperatūrai jums ir pastāvīga iekšējā enerģija. Tātad ar∆U= 0, pirmo termodinamikas likumu var viegli pārkārtot, lai:

Vai, vārdiem sakot, sistēmai pievienotais siltums ir vienāds ar sistēmas paveikto, tas nozīmē, ka pievienoto siltumu izmanto darba veikšanai. Piemēram, izotermiskās izplešanās gadījumā sistēmai tiek pievienots siltums, kas liek tai paplašināties, veicot darbu pie vides, nezaudējot iekšējo enerģiju. Izotermiskā saspiešanā vide patiešām strādā pie sistēmas un liek sistēmai zaudēt šo enerģiju kā siltumu.

Siltuma dzinēji izmanto pilnu termodinamisko procesu ciklu, lai siltuma enerģiju pārvērstu mehāniskajā enerģijā, parasti virzot virzuli, kad siltuma dzinējā esošā gāze izplešas. Izotermiskie procesi ir galvenā šī cikla sastāvdaļa, pievienoto siltumenerģiju pilnībā pārveidojot par darbu bez zaudējumiem.

Tomēr tas ir ļoti idealizēts process, jo praksē siltuma enerģija, pārvēršoties darbā, vienmēr zaudēs zināmu enerģiju. Lai tas darbotos realitātē, tam vajadzētu aizņemt bezgalīgi daudz laika, lai sistēma visu laiku varētu palikt siltuma līdzsvarā ar apkārtni.

Izotermiskie procesi tiek uzskatīti par atgriezeniskiem procesiem, jo, ja esat pabeidzis procesu (piemēram, izotermisku jūs varētu palaist to pašu procesu reversā (izotermiskā saspiešana) un atgriezt sistēmu sākotnējā stāvoklī Valsts. Būtībā vienu un to pašu procesu var vadīt laikā vai atpakaļ, nepārkāpjot nevienu fizikas likumu.

Tomēr, ja jūs mēģinātu to darīt reālajā dzīvē, otrais termodinamikas likums nozīmētu, ka tas ir pieaudzis entropija “uz priekšu” procesa laikā, tāpēc “atpakaļ” sistēma pilnībā neatgriezīs sākotnējo Valsts.

Ja uz PV diagrammas uzzīmē izotermisko procesu, procesa laikā paveiktais darbs ir vienāds ar laukumu zem līknes. Kaut arī šādā veidā jūs varat aprēķināt paveikto izotermiski, bieži vien ir vieglāk vienkārši izmantot pirmo termodinamikas likumu un to, ka paveiktais darbs ir vienāds ar sistēmā pievienoto siltumu.

Ja veicat izotermiskā procesa aprēķinus, varat atrast vēl dažus vienādojumus, lai atrastu paveikto darbu. Pirmais no tiem ir:

KurV​_f ir galīgais apjoms unV​_i ir sākotnējais tilpums. Izmantojot ideālo gāzes likumu, jūs varat aizstāt sākotnējo spiedienu un tilpumu (P​_i unV​_i) priekšnRTšajā vienādojumā iegūt:

Vairumā gadījumu tas var būt vieglāk, izmantojot pievienoto siltumu, bet, ja jums ir tikai informācija par spiedienu, tilpumu vai temperatūru, viens no šiem vienādojumiem varētu vienkāršot problēmu. Tā kā darbs ir enerģijas veids, tā vienība ir džouls (J).

Ir daudz citu termodinamisko procesu, un daudzus no tiem var klasificēt līdzīgi kā izotermiskos procesus, izņemot to, ka lielumi, kas nav temperatūra, ir nemainīgi. Izobariskais process ir tāds, kas notiek ar pastāvīgu spiedienu, un tāpēc uz tvertnes sienām iedarbīgais spēks ir nemainīgs, un paveikto darbu dod:W​ = ​P∆V​.

Gāzei, kas izobariski izplešas, ir nepieciešama siltuma pārnešana, lai spiediens būtu nemainīgs, un šis siltums maina sistēmas iekšējo enerģiju, kā arī veic darbu.

Izohorisks process notiek ar nemainīgu tilpumu. Tas ļauj veikt vienkāršošanu pirmajā termodinamikas likumā, jo, ja tilpums ir nemainīgs, sistēma nevar strādāt ar vidi. Tā rezultātā sistēmas iekšējās enerģijas izmaiņas pilnībā rodas pārnestā siltuma dēļ.

Adiabātiskais process ir tāds, kas notiek bez siltuma apmaiņas starp sistēmu un vidi. Tas nenozīmē, ka sistēmā nav temperatūras izmaiņu, jo process var izraisīt temperatūras paaugstināšanos vai pazemināšanos bez tiešas siltuma pārneses. Tomēr bez siltuma pārneses pirmais likums rāda, ka jebkuras izmaiņas iekšējā enerģijā ir jāpiešķir sistēmā vai sistēmā veiktajam darbam, jo ​​tas nosakaJ= 0 vienādojumā.