Den isokoriske prosessen er en av flere idealiserte termodynamiske prosesser som beskriver hvordan tilstandene til en ideell gass kan gjennomgå endring. Den beskriver oppførselen til gass i en lukket beholder med et konstant volum. I denne situasjonen, når energi tilsettes, endres bare temperaturen på gassen; det fungerer ikke på omgivelsene. Så ingen motorer svinger, ingen stempler beveger seg, og ingen nyttig effekt skjer.
Hva er en isokorisk prosess?
En isokorisk prosess, (noen ganger kalt isovolumetrisk eller isometrisk prosess) er en termodynamisk prosess som skjer ved et konstant volum. Fordi volumet ikke endres, holder forholdet mellom trykk og temperatur en konstant verdi.
Dette kan forstås ved å starte med den ideelle gassloven:
PV = nRT
Hvor P er det absolutte trykket til gassen, V er volum, n er mengden gass, R er den ideelle gasskonstanten (8,31 J / mol K), og T er temperatur.
Når volumet holdes konstant, kan denne loven omorganiseres for å vise at forholdet mellom P til T må også være konstant:
\ frac {P} {T} = \ text {konstant}
Dette matematiske uttrykket for forholdet mellom trykk og temperatur er kjent som Gay-Lussacs lov, så oppkalt etter den franske kjemikeren som kom på det tidlig på 1800-tallet. Et annet utfall av denne loven, som noen ganger også kalles trykkloven, er evnen til å forutsi temperaturer og trykk for ideelle gasser som gjennomgår isokoriske prosesser ved bruk av følgende ligning:
\ frac {P_1} {T_1} = \ frac {P_2} {T_2}
Hvor P1 og T1 er begynnelsestrykket og temperaturen til gassen, og P2 og T2 er de endelige verdiene.
På en graf over trykk versus temperatur, eller et PV-diagram, er en isokorisk prosess representert med en vertikal linje.
Teflon (PTFE), det ikke-reaktive, mest glatte stoffet på planeten med applikasjoner over mange næringer fra romfart til matlaging, var et tilfeldig funn som var et resultat av en isokorisk prosess. I 1938 hadde DuPont-kjemiker Roy Plunkett satt opp en haug med små sylindere for å lagre tetrafluoretylengass, til bruk i kjøleteknologi, som han deretter avkjølte til ekstremt lav temperatur.
Da Plunkett åpnet en senere, kom det ikke ut gass, selv om massen på sylinderen ikke hadde endret seg. Han hakket opp røret for å undersøke og så et hvitt pulverlakk på innsiden, som senere viste seg å ha uhyre nyttige kommersielle egenskaper.
I følge Gay-Lussacs lov, da temperaturen raskt sank, gjorde også trykket for å sette i gang en faseendring i gassen.
Isokoriske prosesser og den første loven om termodynamikk
Den første loven om termodynamikk sier at endringen i den indre energien til et system er lik varmen som tilføres systemet minus arbeidet som gjøres av systemet. (Med andre ord, energiinngang minus energiutgang.)
Arbeidet utført av en ideell gass er definert som trykket ganger volumendringen, eller PΔV (eller PdV). Fordi volumet endres ΔV, er null i en isokorisk prosess, men det gjøres ikke noe arbeid med gassen.
Derfor er endringen i intern energi til gassen rett og slett lik mengden tilført varme.
Et eksempel på en nesten isokorisk prosess er en trykkoker. Når lukket er lukket, kan ikke volumet inni endres, så når varme tilføres øker både trykk og temperatur raskt. I virkeligheten ekspanderer trykkkokere litt, og noe gass frigjøres fra en ventil på toppen.
Isokoriske prosesser i varmemotorer
Varmemotorer er enheter som utnytter overføringen av varme for å gjøre noe slags arbeid. De bruker et syklisk system for å konvertere varmeenergi tilført dem til mekanisk energi eller bevegelse. Eksempler inkluderer dampturbiner og bilmotorer.
Isokoriske prosesser brukes i mange vanlige varmemotorer. De Otto Cycleer for eksempel en termodynamisk syklus i bilmotorer som beskriver prosessen med varmeoverføring under tenning, kraftslag bevegelige motorstempler for å få bilen til å gå, frigjøring av varme og kompresjonsslag som returnerer stemplene til start stillinger.
I Ottosyklusen regnes det første og tredje trinnet, tilsetning og frigjøring av varme, som isokoriske prosesser. Syklusen antar at varmeendringene skjer øyeblikkelig, uten volumendring av gassen. Dermed jobbes det bare med kjøretøyet i kraft- og kompresjonsslagfasen.
Arbeidet utført av en varmemotor ved bruk av Otto-syklusen er representert av området under kurven i diagrammet. Dette er null der de isokoriske prosessene for tilsetning og frigjøring av varme forekommer (de vertikale linjene).
Isokoriske prosesser som disse er generelt irreversible prosesser. Når varme er tilsatt, er den eneste måten å bringe systemet tilbake til sin opprinnelige tilstand å fjerne varmen på en eller annen måte ved å gjøre arbeid.
Andre termodynamiske prosesser
Isokoriske prosesser er bare en av flere idealiserte termodynamiske prosesser som beskriver oppførselen til gasser som er nyttige for forskere og ingeniører.
Noen av de andre som er diskutert mer detaljert andre steder på nettstedet inkluderer:
Isobarisk prosess: Dette skjer ved et konstant trykk og er vanlig i mange virkelige eksempler, inkludert kokende vann på en komfyr, tenning av en fyrstikk eller i luftpustende jetturbiner. Dette skyldes for det meste at trykket fra jordens atmosfære ikke endrer seg mye i et lokalt område, for eksempel kjøkkenet der noen lager pasta. Forutsatt at den ideelle gassloven gjelder, er temperatur delt på volum en konstant verdi for en isobar prosess.
Isoterm prosess: Dette skjer ved konstant temperatur. For eksempel er temperaturen jevn under en faseendring som vann som koker opp fra toppen av en gryte. Kjøleskap bruker også isotermiske prosesser, og Carnot Engine er en industriell applikasjon. En slik prosess er langsom fordi tilført varme må være lik varmen som går tapt som arbeid for å holde den totale temperaturen konstant. Forutsatt at den ideelle gassloven gjelder, er trykk ganger volum en konstant verdi for en isoterm prosess.
Adiabatisk prosess: Det er ingen varme- eller materialutveksling med omgivelsene når en gass eller væske endrer volum. I stedet er det bare produksjonen i en adiabatisk prosess. Det er to tilfeller der en adiabatisk prosess kan forekomme. Enten skjer prosessen for raskt for at varme kan overføres inn eller ut av hele systemet, for eksempel under kompresjonsslag fra en gassmotor, eller det skjer i en container som er så godt isolert, varme kan ikke krysse barriere i det hele tatt.
Som de andre termodynamiske prosessene som er forklart her, er ingen prosesser virkelig adiabatiske, men tilnærming mot dette idealet er nyttig i fysikk og ingeniørfag. For eksempel er en vanlig karakterisering for kompressorer, turbiner og andre termodynamiske maskiner adiabatisk effektivitet: Forholdet mellom det faktiske arbeidet maskinen leverer til hvor mye arbeid det vil levere hvis det gjennomgikk et sant adiabatisk prosess.