Proces izochoryczny jest jednym z kilku wyidealizowanych procesów termodynamicznych, które opisują zmiany stanów gazu doskonałego. Opisuje zachowanie gazu w zamkniętym pojemniku o stałej objętości. W tej sytuacji, gdy dodawana jest energia, zmienia się tylko temperatura gazu; nie działa na swoje otoczenie. Tak więc żaden silnik się nie obraca, nie poruszają się tłoki i nie dzieje się żadna użyteczna moc wyjściowa.
Co to jest proces izochoryczny?
Proces izochoryczny (czasami nazywany procesem izowolumetrycznym lub izometrycznym) to proces termodynamiczny, który zachodzi w stałej objętości. Ponieważ objętość się nie zmienia, związek między ciśnieniem a temperaturą utrzymuje stałą wartość.
Można to zrozumieć, zaczynając od równania gazu doskonałego:
PV = nRT
Gdzie P jest bezwzględnym ciśnieniem gazu, V to objętość, nie to ilość gazu, R jest idealną stałą gazu (8,31 J/mol K), a T jest temperatura.
Gdy objętość jest utrzymywana na stałym poziomie, to prawo można zmienić, aby pokazać, że stosunek P do T musi być również stałą:
\frac {P}{T} = \text {stała}
To matematyczne wyrażenie stosunku ciśnienia do temperatury jest znane jako Prawo Gay-Lussaca, nazwany tak na cześć francuskiego chemika, który wymyślił go na początku XIX wieku. Innym skutkiem tego prawa, które czasami jest również nazywane prawem ciśnienia, jest zdolność przewidywania temperatury i ciśnienia dla gazów doskonałych przechodzących procesy izochoryczne z wykorzystaniem następującego równania:
\frac {P_1}{T_1} = \frac {P_2}{T_2}
Gdzie P1 i T1 są początkowym ciśnieniem i temperaturą gazu, oraz P2 i T2 są wartościami końcowymi.
Na wykresie ciśnienia w funkcji temperatury lub diagramie PV, proces izochoryczny jest reprezentowany przez linię pionową.
Teflon (PTFE), niereaktywna, najbardziej śliska substancja na świecie o wielu zastosowaniach applications przemysłu od lotnictwa po gotowanie, było przypadkowym odkryciem, które wynikało z izochoryczności proces. W 1938 r. chemik DuPont, Roy Plunkett, ustawił do przechowywania kilka małych butli gaz tetrafluoroetylenowy, do zastosowania w technologiach chłodniczych, który następnie schłodził do ekstremalnie niska temperatura.
Kiedy Plunkett poszedł później otworzyć jedną, gaz nie wypłynął, chociaż masa butli nie uległa zmianie. Rozciął rurkę, aby zbadać, i zobaczył biały proszek pokrywający wnętrze, który później okazał się mieć niezwykle przydatne właściwości komercyjne.
Zgodnie z prawem Gay-Lussaca, gdy temperatura gwałtownie spadała, rosło również ciśnienie inicjujące zmianę fazy w gazie.
Procesy izochoryczne i pierwsza zasada termodynamiki
Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że zmiana energii wewnętrznej układu jest równa ilości ciepła dodanego do układu minus praca wykonana przez układ. (Innymi słowy, energia wejściowa minus energia wyjściowa.)
Praca wykonywana przez gaz doskonały jest definiowana jako jego ciśnienie razy zmiana objętości, czyli PΔV (lub PdV). Ponieważ zmiana głośności ΔV wynosi zero w procesie izochorycznym, jednak gaz nie wykonuje żadnej pracy.
Stąd zmiana energii wewnętrznej gazu jest po prostu równa ilości dodanego ciepła.
Przykład prawie proces izochoryczny to szybkowar. Gdy jest szczelnie zamknięty, objętość wewnątrz nie może się zmienić, więc po dodaniu ciepła zarówno ciśnienie, jak i temperatura gwałtownie wzrastają. W rzeczywistości szybkowary nieznacznie rozszerzają się, a część gazu jest uwalniana z zaworu na górze.
Procesy izochoryczne w silnikach cieplnych
Silniki cieplne to urządzenia, które wykorzystują transfer ciepła do wykonywania jakiejś pracy. Wykorzystują cykliczny system, aby zamienić dodaną do nich energię cieplną na energię mechaniczną, czyli ruch. Przykładami są turbiny parowe i silniki samochodowe.
Procesy izochoryczne są stosowane w wielu popularnych silnikach cieplnych. Cykl Otto, na przykład, jest cyklem termodynamicznym w silnikach samochodowych, który opisuje proces wymiany ciepła podczas zapłonu, suw mocy power przesuwanie tłoków silnika w celu uruchomienia samochodu, uwalnianie ciepła i suw sprężania przywracający tłoki do ich rozruchu stanowiska.
W cyklu Otto pierwszy i trzeci etap, czyli dodawanie i uwalnianie ciepła, są uważane za procesy izochoryczne. Cykl zakłada, że zmiany ciepła następują natychmiast, bez zmiany objętości gazu. W ten sposób praca jest wykonywana na pojeździe tylko podczas fazy suwu mocy i sprężania.
Praca wykonana przez silnik cieplny wykorzystujący cykl Otto jest reprezentowana przez obszar pod krzywą na diagramie. Jest to zero tam, gdzie zachodzą izochoryczne procesy dodawania i uwalniania ciepła (linie pionowe).
Takie procesy izochoryczne są na ogół procesami nieodwracalnymi. Po dodaniu ciepła jedynym sposobem na przywrócenie systemu do pierwotnego stanu jest usunięcie ciepła w jakiś sposób poprzez wykonanie pracy.
Inne procesy termodynamiczne
Procesy izochoryczne to tylko jeden z kilku wyidealizowanych procesów termodynamicznych, które opisują zachowanie gazów przydatnych naukowcom i inżynierom.
Niektóre z innych omówionych bardziej szczegółowo w innych miejscach na stronie obejmują:
Proces izobaryczny: Dzieje się tak przy stałym ciśnieniu i jest powszechne w wielu przykładach z życia wziętych, takich jak gotowanie wody na kuchence, zapalanie zapałek lub w turbinach odrzutowych oddychających powietrzem. Dzieje się tak dlatego, że w większości ciśnienie atmosfery ziemskiej nie zmienia się zbytnio w lokalnym obszarze, takim jak kuchnia, w której ktoś robi makaron. Zakładając, że ma zastosowanie prawo gazu doskonałego, temperatura podzielona przez objętość jest wartością stałą dla procesu izobarycznego.
Proces izotermiczny: Dzieje się tak w stałej temperaturze. Na przykład podczas zmiany fazy, takiej jak gotowanie się wody z wierzchu garnka, temperatura jest stała. Lodówki wykorzystują również procesy izotermiczne, a przemysłowym zastosowaniem jest silnik Carnot. Taki proces jest powolny, ponieważ dodane ciepło musi być równe ciepłu traconemu podczas pracy, aby utrzymać stałą temperaturę ogólną. Zakładając, że ma zastosowanie prawo gazu doskonałego, ciśnienie razy objętość jest wartością stałą dla procesu izotermicznego.
Proces adiabatyczny: Nie ma wymiany ciepła ani materiału z otoczeniem, ponieważ gaz lub płyn zmienia objętość. Zamiast tego jedynym wyjściem w procesie adiabatycznym jest praca. Istnieją dwa przypadki, w których może wystąpić proces adiabatyczny. Albo proces przebiega zbyt szybko, aby ciepło mogło przenieść się do lub z całego systemu, na przykład podczas suw sprężania silnika gazowego, lub dzieje się to w pojemniku, który jest tak dobrze izolowany, że ciepło nie może przejść przez w ogóle bariera.
Podobnie jak inne opisane tutaj procesy termodynamiki, żaden proces nie jest prawdziwie adiabatyczny, ale przybliżanie tego ideału jest przydatne w fizyce i inżynierii. Na przykład powszechną charakterystyką sprężarek, turbin i innych maszyn termodynamicznych jest adiabatyczna wydajność: Stosunek rzeczywistej pracy, którą maszyna wykonuje do tego, ile pracy wykonałaby, gdyby przeszła prawdziwą proces adiabatyczny.