Procese izoterme: definiție, formulă și exemple

Înțelegerea a diferitelor procese termodinamice și a modului în care utilizați prima lege a termodinamicii cu fiecare este crucială atunci când începeți să luați în considerare motoarele termice și ciclurile Carnot.

Multe dintre procese sunt idealizate, deci, deși nu reflectă cu exactitate cum se întâmplă lucrurile în reală, sunt aproximări utile care simplifică calculele și facilitează desenarea concluzii. Aceste procese idealizate descriu modul în care stările unui gaz ideal pot suferi schimbări.

Procesul izotermic este doar un exemplu și faptul că acesta are loc la o singură temperatură prin definiție simplifică drastic lucrul cu prima lege a termodinamicii atunci când calculați lucruri precum motorul termic proceselor.

Un proces izotermic este un proces termodinamic care are loc la o temperatură constantă. Avantajul de a lucra la o temperatură constantă și cu un gaz ideal este că puteți utiliza legea lui Boyle și legea ideală a gazelor pentru a raporta presiunea și volumul. Ambele expresii (întrucât legea lui Boyle este una dintre numeroasele legi care au fost încorporate în legea ideală a gazelor) arată o relație inversă între presiune și volum. Legea lui Boyle presupune că:

În cazul în care indicii indică presiunea (P) și volum (V) la momentul 1 și presiunea și volumul la momentul 2. Ecuația arată că, dacă volumul se dublează, de exemplu, presiunea trebuie să se reducă la jumătate pentru a menține ecuația echilibrată și invers. Legea completă a gazelor ideale este

Undeneste numărul de moli ai gazului,Reste constanta gazului universal șiTeste temperatura. Cu o cantitate fixă ​​de gaz și o temperatură fixă,PVtrebuie să ia o valoare constantă, ceea ce duce la rezultatul anterior.

Pe o diagramă presiune-volum (PV), care este un grafic de presiune vs. volum folosit adesea pentru procesele termodinamice, un proces izotermic arată ca graficul luiy​ = 1/​X, curbându-se în jos către valoarea sa minimă.

Un punct care încurcă adesea oamenii este distincția dintreizotermăvs.adiabatic, dar descompunerea cuvântului în cele două părți ale acestuia vă poate ajuta să vă amintiți acest lucru. „Iso” înseamnă egal și „termic” se referă la căldura ceva (adică temperatura acestuia), deci „izoterm” înseamnă literal „la o temperatură egală”. Procesele adiabatice nu implică căldurătransfer, dar temperatura sistemului se schimbă adesea în timpul acestora.

Prima lege a termodinamicii afirmă că schimbarea energiei interne (∆U) pentru un sistem este egal cu căldura adăugată sistemului (Î) minus munca depusă de sistem (W), sau în simboluri:

Când aveți de-a face cu un proces izotermic, puteți folosi faptul că energia internă este direct proporțională cu temperatura alături de această lege pentru a trage o concluzie utilă. Energia internă a unui gaz ideal este:

Aceasta înseamnă că pentru o temperatură constantă, aveți o energie internă constantă. Deci cu∆U= 0, prima lege a termodinamicii poate fi ușor rearanjată astfel:

Sau, în cuvinte, căldura adăugată la sistem este egală cu munca depusă de sistem, ceea ce înseamnă că căldura adăugată este utilizată pentru a face treaba. De exemplu, în expansiunea izotermă, căldura este adăugată la sistem, ceea ce face ca acesta să se extindă, lucrând la mediu fără a pierde energia internă. Într-o compresie izotermă, mediul funcționează asupra sistemului și face ca sistemul să piardă această energie ca căldură.

Motoarele termice utilizează un ciclu complet de procese termodinamice pentru a converti energia termică în energie mecanică, de obicei prin mișcarea unui piston pe măsură ce gazul din motorul termic se extinde. Procesele izoterme sunt o parte esențială a acestui ciclu, energia termică adăugată fiind complet transformată în muncă fără pierderi.

Cu toate acestea, acesta este un proces extrem de idealizat, deoarece în practică va exista întotdeauna o pierdere de energie atunci când energia termică este transformată în muncă. Pentru ca acesta să funcționeze în realitate, ar trebui să ia o cantitate infinită de timp, astfel încât sistemul să poată rămâne în echilibru termic cu împrejurimile sale în orice moment.

Procesele izoterme sunt considerate procese reversibile, deoarece dacă ați finalizat un proces (de exemplu, un izoterm expansiune) ați putea rula același proces invers (o compresie izotermă) și a readuce sistemul la original stat. În esență, puteți rula același proces înainte sau înapoi în timp, fără a încălca legile fizicii.

Cu toate acestea, dacă ați încerca acest lucru în viața reală, a doua lege a termodinamicii ar însemna că a crescut entropie în timpul procesului „înainte”, deci cel „înapoi” nu ar readuce complet sistemul la original stat.

Dacă trageți un proces izoterm pe o diagramă PV, munca efectuată în timpul procesului este egală cu aria de sub curbă. Deși puteți calcula munca realizată izoterm în acest mod, este adesea mai ușor să folosiți doar prima lege a termodinamicii și faptul că munca depusă este egală cu căldura adăugată sistemului.

Dacă faceți calcule pentru un proces izotermic, există câteva alte ecuații pe care le puteți folosi pentru a găsi munca realizată. Primul dintre acestea este:

UndeV​_f este volumul final șiV​_eu este volumul inițial. Folosind legea ideală a gazelor, puteți înlocui presiunea și volumul inițial (P​_eu șiV​_eu) pentrunRTîn această ecuație pentru a obține:

În majoritatea cazurilor, poate fi mai ușor să lucrați prin căldura adăugată, dar dacă aveți doar informații despre presiune, volum sau temperatură, una dintre aceste ecuații ar putea simplifica problema. Deoarece munca este o formă de energie, unitatea sa este joul (J).

Există multe alte procese termodinamice și multe dintre acestea pot fi clasificate în mod similar proceselor izoterme, cu excepția faptului că alte cantități decât temperatura sunt constante pe tot parcursul. Un proces izobaric este unul care are loc la o presiune constantă și, din această cauză, forța exercitată pe pereții containerului este constantă, iar munca depusă este dată deW​ = ​P∆V​.

Pentru gazul supus expansiunii izobarice, trebuie să existe un transfer de căldură pentru a menține presiunea constantă, iar această căldură schimbă energia internă a sistemului, precum și lucrează.

Un proces izocoric are loc la un volum constant. Acest lucru vă permite să faceți o simplificare în prima lege a termodinamicii, deoarece dacă volumul este constant, sistemul nu poate funcționa asupra mediului. Ca urmare, schimbarea energiei interne a sistemului se datorează în totalitate căldurii transferate.

Un proces adiabatic este unul care are loc fără schimb de căldură între sistem și mediu. Totuși, acest lucru nu înseamnă că nu există nicio modificare a temperaturii în sistem, deoarece procesul ar putea duce la o creștere sau o scădere a temperaturii fără transfer direct de căldură. Cu toate acestea, fără transfer de căldură, prima lege arată că orice modificare a energiei interne trebuie să se datoreze muncii efectuate pe sistem sau de către sistem, deoarece seteazăÎ= 0 în ecuație.