Procese izocorice: definiție, ecuație și exemple

Procesul izocoric este unul dintre mai multe procese termodinamice idealizate care descriu modul în care stările unui gaz ideal pot suferi modificări. Descrie comportamentul gazului într-un container închis la un volum constant. În această situație, când se adaugă energie, se schimbă doar temperatura gazului; nu lucrează în împrejurimile sale. Deci, nici un motor nu se rotește, nici un piston nu se mișcă și nu se produce nicio ieșire utilă.

Ce este un proces izocoric?

Un proces izocoric (numit uneori proces izovolumetric sau izometric) este un proces termodinamic care are loc la un volum constant. Deoarece volumul nu se schimbă, relația dintre presiune și temperatură menține o valoare constantă.

Acest lucru poate fi înțeles începând cu legea ideală a gazelor:

PV = nRT

Unde P este presiunea absolută a gazului, V este volum, n este cantitatea de gaz, R este constanta ideală a gazului (8,31 J / mol K) și T este temperatura.

Când volumul este menținut constant, această lege poate fi rearanjată pentru a arăta că raportul dintre P la T trebuie să fie și o constantă:

\ frac {P} {T} = \ text {constant}

Această expresie matematică a raportului dintre presiune și temperatură este cunoscută sub numele de Legea lui Gay-Lussac, numit astfel pentru chimistul francez care a venit cu el la începutul anilor 1800. Un alt rezultat al acestei legi, care se numește uneori și legea presiunii, este capacitatea de a prezice temperaturile și presiunile pentru gazele ideale supuse proceselor izocorice utilizând următoarea ecuație:

\ frac {P_1} {T_1} = \ frac {P_2} {T_2}

Unde P1 și T1 sunt presiunea inițială și temperatura gazului și P2 și T2 sunt valorile finale.

Pe un grafic de presiune versus temperatură sau o diagramă PV, un proces izocoric este reprezentat de o linie verticală.

Teflon (PTFE), substanța non-reactivă, cea mai alunecoasă de pe planetă, cu aplicații în multe industria aerospațială până la gătit, a fost o descoperire accidentală care a rezultat dintr-un izocoric proces. În 1938, chimistul DuPont, Roy Plunkett, a înființat o grămadă de cilindri mici pentru depozitare gaz tetrafluoretilenic, pentru utilizare în tehnologiile de refrigerare, pe care apoi le-a răcit la o temperatură extrem de mare temperatura scazuta.

Când Plunkett a început să deschidă unul mai târziu, nu a ieșit niciun gaz, deși masa cilindrului nu se schimbase. A deschis tubul pentru a investiga și a văzut o pulbere albă acoperind interiorul, care s-a dovedit ulterior a avea proprietăți comerciale extrem de utile.

Conform Legii lui Gay-Lussac, atunci când temperatura scădea rapid, la fel și presiunea pentru a iniția o schimbare de fază a gazului.

Procese izocorice și prima lege a termodinamicii

Prima lege a termodinamicii afirmă că schimbarea energiei interne a unui sistem este egală cu căldura adăugată la sistem minus munca depusă de sistem. (Cu alte cuvinte, aportul de energie minus puterea de energie.)

Lucrarea efectuată de un gaz ideal este definită ca presiunea sa de ori mai mare decât schimbarea sa de volum sau PΔV (sau PdV). Pentru că volumul se schimbă ΔV, este zero într-un proces izocoric, cu toate acestea, nu se lucrează cu gazul.

Prin urmare, schimbarea energiei interne a gazului este pur și simplu egală cu cantitatea de căldură adăugată.

Un exemplu de aproape procesul izocoric este o oală sub presiune. Când este închis sigilat, volumul din interior nu se poate modifica, deci atunci când se adaugă căldură, atât presiunea cât și temperatura cresc rapid. În realitate, aragazele sub presiune se extind ușor și o parte din gaz se degajă de la o supapă de deasupra.

Procese izocorice în motoarele termice

Motoarele termice sunt dispozitive care valorifică transferul de căldură pentru a face un fel de muncă. Folosesc un sistem ciclic pentru a converti energia termică adăugată acestora în energie mecanică sau mișcare. Exemplele includ turbine cu abur și motoare auto.

Procesele izocorice sunt utilizate în multe motoare termice obișnuite. Ciclul Otto, de exemplu, este un ciclu termodinamic în motoarele auto care descrie procesul de transfer de căldură în timpul aprinderii, cursa de putere mișcarea pistoanelor motorului pentru a face mașina să meargă, eliberarea de căldură și cursa de compresie readucând pistoanele la pornire poziții.

În ciclul Otto, primul și al treilea pas, adăugarea și eliberarea căldurii, sunt considerate procese izocorice. Ciclul presupune că schimbările de căldură apar instantaneu, fără nicio modificare a volumului gazului. Astfel, se lucrează la vehicul doar în timpul fazelor de putere și de compresie.

Munca efectuată de un motor termic folosind ciclul Otto este reprezentată de zona de sub curbă în diagramă. Acesta este zero în cazul în care se produc procesele izocorice de adăugare și eliberare a căldurii (liniile verticale).

Procese izocorice ca acestea sunt în general procese ireversibile. Odată adăugată căldura, singura modalitate de a readuce sistemul la starea inițială este de a îndepărta cumva căldura lucrând.

Alte procese termodinamice

Procesele izocorice nu sunt decât unul dintre mai multe procese termodinamice idealizate care descriu comportamentul gazelor utile oamenilor de știință și ingineri.

Unele dintre celelalte discutate mai detaliat în altă parte pe site includ:

Procesul izobaric: Acest lucru apare la o presiune constantă și este frecvent în multe exemple din viața reală, inclusiv fierberea apei pe o sobă, aprinderea unui chibrit sau în turbine cu jet de aer care respira. Acest lucru se datorează faptului că, în cea mai mare parte, presiunea atmosferei Pământului nu se schimbă foarte mult într-o zonă locală, cum ar fi bucătăria în care cineva face paste. Presupunând că se aplică legea ideală a gazelor, temperatura împărțită la volum este o valoare constantă pentru un proces izobaric.

Proces izotermic: Aceasta are loc la o temperatură constantă. De exemplu, în timpul unei schimbări de fază, cum ar fi apa care fierbe de pe vârful unei oale, temperatura este constantă. Frigiderele folosesc, de asemenea, procese izoterme și o aplicație industrială este motorul Carnot. Un astfel de proces este lent, deoarece căldura adăugată trebuie să fie egală cu căldura pierdută ca lucru pentru a menține temperatura generală constantă. Presupunând că se aplică legea ideală a gazelor, presiunea ori volumul este o valoare constantă pentru un proces izoterm.

Procesul adiabatic: Nu există schimb de căldură sau materiale cu mediul înconjurător, deoarece un gaz sau un fluid schimbă volumul. În schimb, singurul rezultat într-un proces adiabatic este munca. Există două cazuri în care s-ar putea produce un proces adiabatic. Fie că procesul are loc prea repede pentru ca căldura să fie transferată în sau din întregul sistem, cum ar fi în timpul cursa de compresie a unui motor pe gaz, sau se întâmplă într-un container care este atât de bine izolat căldura nu poate traversa barieră deloc.

Ca și celelalte procese de termodinamică explicate aici, niciun proces nu este cu adevărat adiabatic, dar aproximarea față de acest ideal este utilă în fizică și inginerie. De exemplu, o caracterizare comună pentru compresoare, turbine și alte mașini termodinamice este adiabatică eficiență: Raportul dintre munca reală pe care o produce mașina și cantitatea de lucru pe care ar produce-o dacă ar fi supusă unui adevărat proces adiabatic.

  • Acțiune
instagram viewer