Isochore processen: definitie, vergelijking en voorbeelden

Het isochoorproces is een van de vele geïdealiseerde thermodynamische processen die beschrijven hoe de toestanden van een ideaal gas kunnen veranderen. Het beschrijft het gedrag van gas in een gesloten container bij een constant volume. In deze situatie, wanneer energie wordt toegevoegd, verandert alleen de temperatuur van het gas; het werkt niet op zijn omgeving. Er draaien dus geen motoren, er bewegen geen zuigers en er gebeurt geen bruikbare output.

Een isochoor proces (soms isovolumetrisch of isometrisch proces genoemd) is een thermodynamisch proces dat plaatsvindt bij een constant volume. Doordat het volume niet verandert, blijft de relatie tussen druk en temperatuur constant.

Dit kan worden begrepen door te beginnen met de ideale gaswet:

PV = nRT

Waar P is de absolute druk van het gas, V is volume, nee is de hoeveelheid gas, R is de ideale gasconstante (8,31 J/mol K), en T is temperatuur.

Wanneer het volume constant wordt gehouden, kan deze wet worden herschikt om aan te tonen dat de verhouding van P naar T moet ook een constante zijn:

Deze wiskundige uitdrukking van de verhouding tussen druk en temperatuur staat bekend als Wet van Gay-Lussacac, zo genoemd naar de Franse chemicus die het in het begin van de 19e eeuw bedacht. Een andere uitkomst van deze wet, die ook wel de drukwet wordt genoemd, is het vermogen om te voorspellen temperaturen en drukken voor ideale gassen die isochore processen ondergaan met behulp van de volgende vergelijking:

Waar P₁ en T₁ zijn de begindruk en temperatuur van het gas, en P₂ en T₂ zijn de uiteindelijke waarden.

Op een grafiek van druk versus temperatuur, of een PV-diagram, wordt een isochoor proces weergegeven door een verticale lijn.

Teflon (PTFE), de niet-reactieve, meest glibberige stof ter wereld met toepassingen in vele industrieën, van ruimtevaart tot koken, was een toevallige ontdekking die het gevolg was van een isochoor is werkwijze. In 1938 had DuPont-chemicus Roy Plunkett een aantal kleine cilinders opgesteld om op te slaan tetrafluorethyleengas, voor gebruik in koeltechnologieën, dat hij vervolgens afkoelde tot een extreem lage temperatuur.

Toen Plunkett er later een ging openen, kwam er geen gas uit, hoewel de massa van de cilinder niet was veranderd. Hij hakte de buis open om te onderzoeken en zag een witte poedercoating aan de binnenkant, die later enorm nuttige commerciële eigenschappen bleek te hebben.

Volgens de wet van Gay-Lussac, toen de temperatuur snel daalde, nam ook de druk toe om een ​​faseverandering in het gas te initiëren.

De eerste wet van de thermodynamica stelt dat de verandering in de interne energie van een systeem gelijk is aan de warmte die aan het systeem wordt toegevoegd minus de arbeid die door het systeem wordt verricht. (Met andere woorden, energie-input minus energie-output.)

Het werk van een ideaal gas wordt gedefinieerd als zijn druk maal zijn volumeverandering, of PΔV (of PdV). Omdat het volume verandert: ΔV, is nul in een isochoor proces, maar het gas doet geen arbeid.

Daarom is de verandering in interne energie van het gas eenvoudig gelijk aan de hoeveelheid toegevoegde warmte.

Een voorbeeld van een bijna isochoor proces is een snelkookpan. Wanneer gesloten gesloten, kan het volume aan de binnenkant niet veranderen, dus wanneer warmte wordt toegevoegd, nemen zowel de druk als de temperatuur snel toe. In werkelijkheid zetten snelkookpannen iets uit en komt er wat gas vrij uit een klep bovenop.

Warmtemotoren zijn apparaten die de overdracht van warmte benutten om een ​​of ander werk te doen. Ze gebruiken een cyclisch systeem om de toegevoegde warmte-energie om te zetten in mechanische energie of beweging. Voorbeelden zijn stoomturbines en automotoren.

Isochore processen worden gebruikt in veel voorkomende warmtemotoren. De Otto Cyclusis bijvoorbeeld een thermodynamische cyclus in automotoren die het proces van warmteoverdracht tijdens ontsteking, de arbeidsslag, beschrijft bewegende motorzuigers om de auto te laten rijden, het vrijkomen van warmte en de compressieslag die de zuigers terugbrengt naar hun startpunt posities.

In de Otto-cyclus worden de eerste en derde stap, de toevoeging en afgifte van warmte, beschouwd als isochore processen. De cyclus gaat ervan uit dat de warmteveranderingen onmiddellijk plaatsvinden, zonder verandering in het volume van het gas. Er wordt dus alleen aan het voertuig gewerkt tijdens de kracht- en compressieslagfasen.

De arbeid die door een warmtemotor wordt verricht met behulp van de Otto-cyclus wordt weergegeven door de oppervlakte onder de curve in het diagram. Dit is nul waar de isochore processen van warmtetoevoeging en -afgifte plaatsvinden (de verticale lijnen).

Isochore processen zoals deze zijn over het algemeen onomkeerbare processen. Zodra warmte is toegevoegd, is de enige manier om het systeem in zijn oorspronkelijke staat terug te brengen, op de een of andere manier warmte te verwijderen door werk te doen.

Isochore processen zijn slechts een van de vele geïdealiseerde thermodynamische processen die het gedrag van gassen beschrijven die nuttig zijn voor wetenschappers en ingenieurs.

Enkele van de anderen die elders op de site in meer detail worden besproken, zijn:

Isobaar proces: Dit gebeurt bij een constante druk en is gebruikelijk in veel praktijkvoorbeelden, waaronder kokend water op een fornuis, het aansteken van een lucifer of in luchtademende straalturbines. Dit komt omdat, voor het grootste deel, de druk van de atmosfeer van de aarde niet veel verandert in een lokaal gebied, zoals de keuken waarin iemand pasta maakt. Ervan uitgaande dat de ideale gaswet van toepassing is, is temperatuur gedeeld door volume een constante waarde voor een isobaar proces.

isotherm proces: Dit gebeurt bij een constante temperatuur. Tijdens een faseverandering, zoals water dat van de bovenkant van een pot kookt, is de temperatuur bijvoorbeeld constant. Ook koelkasten gebruiken isotherme processen en een industriële toepassing is de Carnot Engine. Een dergelijk proces is traag omdat de toegevoegde warmte gelijk moet zijn aan de warmte die verloren gaat als arbeid om de totale temperatuur constant te houden. Ervan uitgaande dat de ideale gaswet van toepassing is, is druk maal volume een constante waarde voor een isotherm proces.

Adiabatisch proces: Er is geen warmte- of materiaaluitwisseling met de omgeving omdat een gas of vloeistof van volume verandert. In plaats daarvan is de enige output in een adiabatisch proces werk. Er zijn twee gevallen waarin een adiabatisch proces kan optreden. Ofwel, het proces vindt te snel plaats om warmte in of uit het hele systeem te laten gaan, zoals tijdens de compressieslag van een gasmotor, of het gebeurt in een container die zo goed geïsoleerd is dat de warmte de barrière helemaal niet.

Net als de andere thermodynamische processen die hier worden uitgelegd, is geen enkel proces echt adiabatisch, maar het benaderen tegen dit ideaal is nuttig in natuurkunde en techniek. Een algemene karakterisering voor compressoren, turbines en andere thermodynamische machines is bijvoorbeeld adiabatisch efficiëntie: de verhouding tussen het werkelijke werk dat de machine uitvoert en hoeveel werk het zou leveren als het een echte adiabatisch proces.