Изохорный процесс - один из нескольких идеализированных термодинамических процессов, которые описывают, как состояния идеального газа могут претерпевать изменения. Он описывает поведение газа в закрытом контейнере при постоянном объеме. В этой ситуации при добавлении энергии изменяется только температура газа; он не работает со своим окружением. Таким образом, двигатели не вращаются, поршни не двигаются, и никакой полезной мощности не происходит.
Что такое изохорический процесс?
Изохорный процесс (иногда называемый изоволюметрическим или изометрическим процессом) - это термодинамический процесс, который происходит при постоянном объеме. Поскольку объем не меняется, соотношение между давлением и температурой остается постоянным.
Это можно понять, начав с закона идеального газа:
PV = nRT
Где п - абсолютное давление газа, V объем, п количество газа, р - постоянная идеального газа (8,31 Дж / моль К), а Т это температура.
Когда объем остается постоянным, этот закон можно изменить, чтобы показать, что соотношение п к Т также должно быть константой:
\ frac {P} {T} = \ text {constant}
Это математическое выражение отношения между давлением и температурой известно как Закон Гей-Люссака, названный так в честь французского химика, который придумал его в начале 1800-х годов. Другой результат этого закона, который иногда также называют законом давления, - это способность предсказывать температуры и давления для идеальных газов, претерпевающих изохорные процессы, с использованием следующего уравнения:
\ frac {P_1} {T_1} = \ frac {P_2} {T_2}
Где п1 а также Т1 - начальное давление и температура газа, а п2 а также Т2 являются окончательными значениями.
На графике зависимости давления от температуры или PV-диаграмме изохорный процесс представлен вертикальной линией.
Тефлон (ПТФЭ), нереагирующее, самое скользкое вещество на планете, находящее применение во многих промышленности от авиакосмической до кулинарии, было случайным открытием, которое стало результатом изохорного процесс. В 1938 году химик DuPont Рой Планкетт установил несколько небольших цилиндров для хранения газообразный тетрафторэтилен для использования в холодильных технологиях, который затем охлаждается до чрезвычайно высокой температуры. низкая температура.
Когда Планкетт пошел открывать один позже, газ не вышел, хотя масса цилиндра не изменилась. Он вскрыл трубку, чтобы исследовать ее, и увидел белый порошок, покрывающий внутреннюю часть, который, как позже выяснилось, имел чрезвычайно полезные коммерческие свойства.
Согласно закону Гей-Люссака, когда температура быстро снижалась, росло и давление, вызывающее фазовый переход в газе.
Изохорные процессы и первый закон термодинамики.
Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы равно количеству тепла, добавляемого к системе, за вычетом работы, совершаемой системой. (Другими словами, входная энергия минус выходная энергия.)
Работа, совершаемая идеальным газом, определяется как его давление, умноженное на изменение объема, или PΔV (или PdV). Потому что изменение громкости ΔV равно нулю в изохорическом процессе, однако газ не совершает никакой работы.
Следовательно, изменение внутренней энергии газа просто равно количеству добавленного тепла.
Пример Около изохорный процесс - это скороварка. В закрытом состоянии внутренний объем не может измениться, поэтому при добавлении тепла давление и температура быстро увеличиваются. На самом деле скороварки немного расширяются, и некоторое количество газа выходит из клапана наверху.
Изохорные процессы в тепловых двигателях
Тепловые двигатели - это устройства, которые используют передачу тепла для выполнения какой-то работы. Они используют циклическую систему для преобразования добавленной к ним тепловой энергии в механическую энергию или движение. Примеры включают паровые турбины и автомобильные двигатели.
Изохорные процессы используются во многих обычных тепловых двигателях. В Цикл Отто, например, термодинамический цикл в двигателях автомобилей, описывающий процесс теплопередачи при зажигании, рабочий такт перемещение поршней двигателя, чтобы заставить автомобиль двигаться, выделение тепла и ход сжатия, возвращающие поршни к их запуску позиции.
В цикле Отто первая и третья ступени, добавление и выделение тепла, считаются изохорными процессами. Цикл предполагает, что изменения тепла происходят мгновенно, без изменения объема газа. Таким образом, работа на транспортном средстве выполняется только во время фаз рабочего хода и такта сжатия.
Работа, выполняемая тепловым двигателем с использованием цикла Отто, представлена на диаграмме областью под кривой. Это ноль там, где происходят изохорные процессы присоединения и выделения тепла (вертикальные линии).
Подобные изохорические процессы, как правило, необратимы. После добавления тепла единственный способ вернуть систему в исходное состояние - это каким-то образом отвести тепло, выполняя работу.
Другие термодинамические процессы
Изохорные процессы - лишь один из нескольких идеализированных термодинамических процессов, описывающих поведение газов, полезных для ученых и инженеров.
Некоторые из других, обсуждаемых более подробно в другом месте на сайте, включают:
Изобарический процесс: Это происходит при постоянном давлении и часто встречается во многих примерах из реальной жизни, включая кипячение воды на плите, зажигание спички или воздушно-реактивные турбины. Это связано с тем, что по большей части давление земной атмосферы не сильно меняется в определенной местности, например, на кухне, где кто-то готовит макароны. Предполагая, что применяется закон идеального газа, температура, деленная на объем, является постоянным значением для изобарического процесса.
Изотермический процесс: Это происходит при постоянной температуре. Например, во время фазового перехода, такого как вода, выкипающая из верхней части кастрюли, температура остается постоянной. В холодильниках также используются изотермические процессы, и промышленное применение - двигатель Карно. Такой процесс медленный, потому что добавляемое тепло должно быть равно теплоте, потерянному в качестве работы, чтобы поддерживать постоянную общую температуру. Если предположить, что применяется закон идеального газа, умножение давления на объем является постоянной величиной для изотермического процесса.
Адиабатический процесс: При изменении объема газа или жидкости с окружающей средой не происходит тепло или материальный обмен. Вместо этого единственный выход в адиабатическом процессе - это работа. Есть два случая, когда может произойти адиабатический процесс. Либо процесс происходит слишком быстро, чтобы тепло передавалось внутрь или из всей системы, например, во время такт сжатия газового двигателя, или это происходит в контейнере, который так хорошо изолирован, тепло не может пересекать барьер вообще.
Как и другие описанные здесь термодинамические процессы, ни один процесс не является действительно адиабатическим, но приближение к этому идеалу полезно в физике и технике. Например, общая характеристика компрессоров, турбин и других термодинамических машин - адиабатическая. эффективность: отношение фактической работы, которую выполняет машина, к тому, сколько работы она выполнила бы, если бы она прошла истинную адиабатический процесс.
