Изотермические процессы: определение, формулы и примеры

Понимание того, что такое разные термодинамические процессы и как вы используете первый закон термодинамики с каждым из них, имеет решающее значение, когда вы начинаете рассматривать тепловые двигатели и циклы Карно.

Многие процессы идеализированы, поэтому, хотя они не совсем точно отражают, как все происходит в реальный мир, это полезные приближения, упрощающие вычисления и облегчающие рисование выводы. Эти идеализированные процессы описывают, как состояния идеального газа могут претерпевать изменения.

Изотермический процесс - лишь один пример, и тот факт, что он происходит при одной температуре по определению значительно упрощает работу с первым законом термодинамики, когда вы рассчитываете такие вещи, как тепловой двигатель. процессы.

Изотермический процесс - это термодинамический процесс, который происходит при постоянной температуре. Преимущество работы при постоянной температуре и с идеальным газом состоит в том, что вы можете использовать закон Бойля и закон идеального газа, чтобы связать давление и объем. Оба этих выражения (поскольку закон Бойля - один из нескольких законов, которые были включены в закон идеального газа) показывают обратную зависимость между давлением и объемом. Закон Бойля подразумевает, что:

Где нижние индексы обозначают давление (п) и объем (V) в момент времени 1 и давление и объем во время 2. Уравнение показывает, что если объем, например, удваивается, давление должно уменьшаться вдвое, чтобы уравнение оставалось сбалансированным, и наоборот. Полный закон идеального газа

гдепколичество молей газа,р- универсальная газовая постоянная, аТэто температура. При фиксированном количестве газа и фиксированной температуре,PVдолжен принимать постоянное значение, что приводит к предыдущему результату.

На диаграмме давление-объем (PV), которая представляет собой график зависимости давления от объем, часто используемый для термодинамических процессов, изотермический процесс выглядит как графику​ = 1/​Икс, изгибаясь вниз к своему минимальному значению.

Один момент, который часто сбивает с толку, - это различие междуизотермическийпротив.адиабатический, но разделение слова на две части поможет вам это запомнить. «Изотермический» означает равный, а «термический» относится к теплу чего-то (то есть его температуре), поэтому «изотермический» буквально означает «при одинаковой температуре». Адиабатические процессы не связаны с тепломперевод, но во время них часто меняется температура системы.

Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии (∆U) для системы равно количеству тепла, добавляемого к системе (Q) за вычетом работы, проделанной системой (W) или символами:

Когда вы имеете дело с изотермическим процессом, вы можете использовать тот факт, что внутренняя энергия прямо пропорциональна температуре наряду с этим законом, чтобы сделать полезный вывод. Внутренняя энергия идеального газа равна:

Это означает, что при постоянной температуре у вас есть постоянная внутренняя энергия. Так что с∆U= 0, первый закон термодинамики может быть легко преобразован в:

Или, говоря словами, тепло, добавленное к системе, равно работе, выполняемой системой, что означает, что добавленное тепло используется для выполнения работы. Например, при изотермическом расширении к системе добавляется тепло, которое заставляет ее расширяться, воздействуя на окружающую среду без потери внутренней энергии. При изотермическом сжатии окружающая среда воздействует на систему и заставляет систему терять эту энергию в виде тепла.

Тепловые двигатели используют полный цикл термодинамических процессов для преобразования тепловой энергии в механическую, обычно путем перемещения поршня при расширении газа в тепловом двигателе. Изотермические процессы являются ключевой частью этого цикла, при этом добавленная тепловая энергия полностью преобразуется в работу без каких-либо потерь.

Однако это в высшей степени идеализированный процесс, потому что на практике всегда будет некоторая потеря энергии, когда тепловая энергия преобразуется в работу. Для того, чтобы она работала в реальности, потребуется бесконечное количество времени, чтобы система могла все время оставаться в тепловом равновесии с окружающей средой.

Изотермические процессы считаются обратимыми, потому что если вы завершили процесс (например, изотермический расширения), вы можете запустить тот же процесс в обратном порядке (изотермическое сжатие) и вернуть систему в исходное состояние. государственный. По сути, вы можете запустить тот же процесс вперед или назад во времени, не нарушая никаких законов физики.

Однако, если вы попытаетесь это сделать в реальной жизни, второй закон термодинамики будет означать увеличение энтропия во время «прямого» процесса, поэтому «обратный» не может полностью вернуть систему к ее исходному состоянию. государственный.

Если вы нанесете изотермический процесс на фотоэлектрическую диаграмму, работа, проделанная во время процесса, равна площади под кривой. Хотя таким образом вы можете рассчитать изотермическую работу, часто проще просто использовать первый закон термодинамики и тот факт, что проделанная работа равна теплу, добавленному в систему.

Если вы выполняете расчеты изотермического процесса, есть пара других уравнений, которые вы можете использовать для определения проделанной работы. Первый из них:

ГдеV​_ж это окончательный том иV​_я - начальный объем. Используя закон идеального газа, вы можете заменить начальное давление и объем (п​_я а такжеV​_я) дляnRTв этом уравнении, чтобы получить:

В большинстве случаев может быть проще работать за счет добавленного тепла, но если у вас есть информация только о давлении, объеме или температуре, одно из этих уравнений может упростить задачу. Поскольку работа - это форма энергии, ее единицей является джоуль (Дж).

Существует множество других термодинамических процессов, и многие из них можно классифицировать аналогично изотермическим процессам, за исключением того, что величины, отличные от температуры, постоянны во всем. Изобарический процесс - это процесс, который происходит при постоянном давлении, и из-за этого сила, действующая на стенки контейнера, постоянна, а проделанная работа определяется выражениемW​ = ​P∆V​.

Для газа, подвергающегося изобарическому расширению, необходима теплопередача, чтобы поддерживать постоянное давление, и это тепло изменяет внутреннюю энергию системы, а также выполнение работы.

Изохорный процесс происходит при постоянном объеме. Это позволяет упростить первый закон термодинамики, потому что, если объем постоянный, система не может воздействовать на окружающую среду. В результате изменение внутренней энергии системы полностью происходит за счет передаваемого тепла.

Адиабатический процесс - это процесс, который происходит без теплообмена между системой и окружающей средой. Это не означает, что в системе нет изменений температуры, потому что процесс может привести к повышению или снижению температуры без прямой теплопередачи. Однако без теплопередачи первый закон показывает, что любое изменение внутренней энергии должно происходить из-за работы, выполняемой системой или системой, поскольку он устанавливаетQ= 0 в уравнении.