Izohoriskie procesi: definīcija, vienādojums un piemēri

Izohoriskais process ir viens no vairākiem idealizētiem termodinamiskiem procesiem, kas apraksta, kā var mainīties ideālās gāzes stāvokļi. Tas apraksta gāzes uzvedību slēgtā traukā ar nemainīgu tilpumu. Šajā situācijā, pievienojot enerģiju, mainās tikai gāzes temperatūra; tas nedarbojas apkārtējā vidē. Tātad neviens motors negriežas, virzuļi nepārvietojas un nenotiek noderīga jauda.

Izohorisks process (dažreiz to sauc par izovolumetrisku vai izometrisku procesu) ir termodinamisks process, kas notiek ar nemainīgu tilpumu. Tā kā tilpums nemainās, spiediena un temperatūras attiecība uztur nemainīgu vērtību.

To var saprast, sākot ar ideālo gāzes likumu:

PV = nRT

Kur P ir gāzes absolūtais spiediens, V ir tilpums, n ir gāzes daudzums, R ir ideālā gāzes konstante (8,31 J / mol K), un T ir temperatūra.

Ja tilpums tiek turēts nemainīgs, šo likumu var pārkārtot, lai parādītu, ka attiecība P uz T jābūt arī konstante:

Šī matemātiskā spiediena un temperatūras attiecības izteiksme ir pazīstama kā

Kur P₁ un T₁ ir sākotnējais gāzes spiediens un temperatūra, un P₂ un T₂ ir galīgās vērtības.

Spiediena pret temperatūru grafikā vai PV diagrammā izohorisku procesu attēlo vertikāla līnija.

Teflons (PTFE), kas ir nereaģējoša, visvairāk slidena viela uz planētas un ko izmanto daudzos nozarēs no kosmosa līdz gatavošanai, bija nejaušs atklājums, kas radies izohora dēļ process. 1938. gadā DuPont ķīmiķis Rojs Plunkets bija izveidojis mazu mazu cilindru glabāšanu tetrafluoretilēna gāze, izmantošanai saldēšanas tehnoloģijās, kuras viņš pēc tam atdzesēja līdz ārkārtīgi lielam temperatūrai zema temperatūra.

Kad Plunkets vēlāk devās atvērt, neviena gāze neiznāca, lai gan cilindra masa nebija mainījusies. Viņš sasmalcināja mēģeni, lai to izmeklētu, un ieraudzīja baltu pulveri, kas pārklāja iekšpusi, kurai vēlāk izrādījās ārkārtīgi noderīgas komerciālas īpašības.

Saskaņā ar Gaja-Lusaka likumu, kad temperatūra strauji pazeminājās, samazinājās arī spiediens sākt fāzes maiņu gāzē.

Pirmais termodinamikas likums nosaka, ka sistēmas iekšējās enerģijas izmaiņas ir vienādas ar sistēmai pievienoto siltumu, atņemot sistēmas paveikto darbu. (Citiem vārdiem sakot, enerģijas patēriņš mīnus enerģijas izlaide.)

Ideālas gāzes paveikto darbu definē kā tā spiedienu reizinot ar tilpuma izmaiņām vai PΔV (vai PdV). Tāpēc, ka mainās skaļums ΔV, izohora procesā ir nulle, tomēr gāze nedara darbu.

Tādējādi gāzes iekšējās enerģijas izmaiņas vienkārši ir vienādas ar pievienotās siltuma daudzumu.

A piemērs gandrīz izohoriskais process ir spiediena katls. Aizverot noslēgtu, tilpums iekšpusē nevar mainīties, tāpēc, pievienojot siltumu, gan spiediens, gan temperatūra strauji palielinās. Patiesībā spiediena katli nedaudz izplešas, un no augšējā vārsta izdalās nedaudz gāzes.

Siltuma dzinēji ir ierīces, kas izmanto siltuma pārnesi, lai veiktu sava veida darbu. Viņi izmanto ciklisku sistēmu, lai tiem pievienoto siltumenerģiju pārveidotu par mehānisko enerģiju vai kustību. Piemēri ietver tvaika turbīnas un automobiļu dzinējus.

Izohoros procesus izmanto daudzos parastajos siltuma dzinējos. The Otto cikls, piemēram, ir automašīnu dzinēju termodinamiskais cikls, kas apraksta siltuma pārneses procesu aizdedzes laikā, jaudas gājienu kustinot dzinēja virzuļus, lai automašīna darbotos, siltuma izdalīšanās un saspiešanas gājiena virzuļi atgriežas pie sākuma pozīcijas.

Otto ciklā pirmais un trešais solis, siltuma pievienošana un izdalīšana, tiek uzskatīti par izohoriskiem procesiem. Cikls pieņem, ka siltuma izmaiņas notiek uzreiz, nemainot gāzes tilpumu. Tādējādi darbs pie transportlīdzekļa tiek veikts tikai jaudas un saspiešanas gājiena fāzēs.

Karstuma dzinēja veikto darbu, izmantojot Oto ciklu, diagrammā attēlo laukums zem līknes. Tas ir nulle, ja notiek siltuma pievienošanas un izdalīšanās izohoriskie procesi (vertikālās līnijas).

Šādi izohoriski procesi parasti ir neatgriezeniski procesi. Kad siltums ir pievienots, vienīgais veids, kā atgriezt sistēmu sākotnējā stāvoklī, ir kaut kā noņemt siltumu, veicot darbu.

Izohoriskie procesi ir tikai viens no vairākiem idealizētiem termodinamiskiem procesiem, kas apraksta zinātniekiem un inženieriem noderīgu gāzu uzvedību.

Daži no citiem, kas sīkāk apspriesti citur vietnē, ietver:

Izobariskais process: Tas notiek nemainīgā spiedienā un ir izplatīts daudzos reālās dzīves piemēros, tostarp verdošā ūdenī uz plīts, sērkociņa aizdedzināšanā vai gaisu elpojošās strūklu turbīnās. Tas notiek tāpēc, ka lielākoties Zemes atmosfēras spiediens daudz nemainās vietējā teritorijā, piemēram, virtuvē, kurā kāds gatavo makaronus. Pieņemot, ka piemērojams ideālais gāzes likums, temperatūra, dalīta ar tilpumu, ir nemainīga vērtība izobariskajam procesam.

Izotermiskais process: Tas notiek nemainīgā temperatūrā. Piemēram, fāzes maiņas laikā, piemēram, ūdens vārot pie katla augšdaļas, temperatūra ir vienmērīga. Ledusskapjos tiek izmantoti arī izotermiski procesi, un rūpnieciskais pielietojums ir Carnot Engine. Šāds process ir lēns, jo pievienotajam siltumam jābūt vienādam ar siltumu, kas zaudēts kā darbs, lai kopējā temperatūra būtu nemainīga. Pieņemot, ka piemērojams ideālais gāzes likums, spiediena un tilpuma tilpums ir nemainīga izotermiskā procesa vērtība.

Adiabātiskais process: Gāze vai šķidrums maina tilpumu, jo apkārtējā vidē nav siltuma vai materiālu apmaiņas. Tā vietā vienīgais rezultāts adiabātiskajā procesā ir darbs. Ir divi gadījumi, kad var notikt adiabātisks process. Jebkurā gadījumā process notiek pārāk ātri, lai siltums pārietu sistēmā vai no tās, piemēram, gāzes dzinēja kompresijas gājiens vai tas notiek tvertnē, kas ir tik labi izolēta, siltums nespēj šķērsot barjera vispār.

Tāpat kā citi šeit izskaidrotie termodinamikas procesi, neviens process nav īsti adiabātisks, taču tuvināšanās šim ideālam ir noderīga fizikā un inženierzinātnēs. Piemēram, kompresoru, turbīnu un citu termodinamisko mašīnu raksturojums ir adiabātisks efektivitāte: mašīnas faktiskā darba attiecība pret darba apjomu, ja tā būtu patiesa adiabātiskais process.