Izochorické procesy: definícia, rovnica a príklady

Izochorický proces je jedným z niekoľkých idealizovaných termodynamických procesov, ktoré popisujú, ako môžu stavy ideálneho plynu prechádzať zmenami. Opisuje správanie sa plynu v uzavretej nádobe pri konštantnom objeme. V tejto situácii, keď sa pridá energia, sa zmení iba teplota plynu; nepracuje na svojom okolí. Takže sa neotáčajú žiadne motory, nehýbu sa piesty a nedeje sa žiadny užitočný výkon.

Izochorický proces (niekedy nazývaný izovolumetrický alebo izometrický proces) je termodynamický proces, ktorý prebieha pri konštantnom objeme. Pretože sa objem nemení, vzťah medzi tlakom a teplotou sa udržuje na konštantnej hodnote.

To možno pochopiť začatím zákona o ideálnom plyne:

PV = nRT

Kde P je absolútny tlak plynu, V. je objem, n je množstvo plynu, R je konštanta ideálneho plynu (8,31 J / mol K) a T je teplota.

Ak je objem udržiavaný na konštantnej hodnote, môže sa tento zákon zmeniť, aby sa preukázal pomer P do T musí byť tiež konštanta:

Toto matematické vyjadrenie pomeru medzi tlakom a teplotou je známe ako Zákon Gay-Lussac, tak pomenovaný pre francúzskeho chemika, ktorý s tým prišiel na začiatku 18. storočia. Ďalším výsledkom tohto zákona, ktorý sa niekedy nazýva aj tlak, je schopnosť predvídať teploty a tlaky pre ideálne plyny prechádzajúce izochorickými procesmi pomocou nasledujúcej rovnice:

Kde P₁ a T₁ sú počiatočný tlak a teplota plynu a P₂ a T₂ sú konečné hodnoty.

Na grafe tlak verzus teplota alebo na PV diagrame je izochorický proces predstavovaný zvislou čiarou.

Teflón (PTFE), nereaktívna a najšmykľavejšia látka na planéte s mnohými aplikáciami od leteckého a kozmického priemyslu po varenie, bol náhodným objavom, ktorý bol výsledkom izochoriky procesu. V roku 1938 chemik spoločnosti DuPont Roy Plunkett založil hromadu malých valcov na uskladnenie tetrafluóretylén, na použitie v chladiacich technológiách, ktorý potom extrémne ochladil nízka teplota.

Keď Plunkett išiel jednu neskôr otvoriť, nevyšiel z nej žiadny plyn, hoci sa hmotnosť valca nezmenila. Rozrezal skúmavku a zistil, že vnútri je biely prášok, ktorý sa neskôr ukázal ako nesmierne užitočný pre komerčné vlastnosti.

Podľa zákona Gay-Lussaca, keď teplota rapídne poklesla, poklesol aj tlak na zahájenie fázovej zmeny v plyne.

Prvý zákon termodynamiky hovorí, že zmena vnútornej energie systému sa rovná teplu pridanému do systému mínus práca vykonaná systémom. (Inými slovami, vstup energie mínus výdaj energie.)

Práca ideálneho plynu je definovaná ako jeho tlak krát jeho zmena objemu, alebo PΔV (alebo PdV). Pretože sa mení hlasitosť ΔV je v izochorickom procese nula, plyn však nijako nepracuje.

Preto sa zmena vnútornej energie plynu jednoducho rovná množstvu pridaného tepla.

Príklad a skoro izochorický proces je tlakový hrniec. Ak je uzavretý, objem vo vnútri sa nemôže meniť, takže keď sa pridá teplo, tlak aj teplota sa rýchlo zvyšujú. V skutočnosti sa tlakové hrnce mierne rozpínajú a z ventilu na vrchu sa uvoľňuje určité množstvo plynu.

Tepelné motory sú zariadenia, ktoré využívajú prenos tepla na vykonávanie nejakej práce. Používajú cyklický systém na premenu tepelnej energie, ktorá sa im pridala, na mechanickú energiu alebo pohyb. Príklady zahŕňajú parné turbíny a automobilové motory.

Izochorické procesy sa používajú v mnohých bežných tepelných motoroch. The Ottov cyklusje napríklad termodynamický cyklus v motoroch automobilov, ktorý popisuje proces prenosu tepla počas zapaľovania, elektrický zdvih pohybom piestov motora, aby sa vozidlo rozbehlo, uvoľnením tepla a kompresným zdvihom sa piesty vrátia do pôvodného stavu pozícií.

V Ottovom cykle sa prvý a tretí krok, prídavok a uvoľnenie tepla, považujú za izochorické procesy. Cyklus predpokladá, že zmeny tepla nastanú okamžite, bez zmeny objemu plynu. Na vozidle sa teda pracuje iba počas fázy silového a kompresného zdvihu.

Práce vykonané tepelným motorom pomocou Otovho cyklu sú v diagrame predstavované plochou pod krivkou. Toto je nula, kde prebiehajú izochorické procesy pridávania a uvoľňovania tepla (zvislé čiary).

Isochorické procesy, ako sú tieto, sú zvyčajne nezvratné procesy. Po pridaní tepla je jediným spôsobom, ako vrátiť systém do pôvodného stavu, nejakým spôsobom odobrať teplo vykonaním práce.

Izochorické procesy sú iba jedným z niekoľkých idealizovaných termodynamických procesov, ktoré popisujú správanie plynov užitočné pre vedcov a inžinierov.

Niektoré z ďalších podrobnejšie diskutovaných na inom mieste webu zahŕňajú:

Izobarický proces: Vyskytuje sa to pri konštantnom tlaku a je to bežné v mnohých príkladoch zo skutočného života, napríklad vriacej vode na sporáku, zapálení zápalky alebo v prúdových turbínach dýchajúcich vzduch. Je to tak preto, lebo tlak zemskej atmosféry sa zväčša v miestnej oblasti, ako je kuchyňa, v ktorej niekto vyrába cestoviny, veľmi nemení. Za predpokladu, že platí zákon ideálneho plynu, je teplota delená objemom konštantnou hodnotou pre izobarický proces.

Izotermický proces: K tomu dochádza pri konštantnej teplote. Napríklad počas fázovej zmeny, ako je voda, ktorá vrie z hrnca, je teplota ustálená. Chladničky tiež využívajú izotermické procesy a priemyselnou aplikáciou je Carnot Engine. Takýto proces je pomalý, pretože pridané teplo sa musí rovnať stratenému teplu pri práci, aby sa udržala konštantná celková teplota. Za predpokladu, že platí zákon o ideálnom plyne, je tlak krát objem konštantnou hodnotou pre izotermický proces.

Adiabatický proces: Nedochádza k žiadnej výmene tepla alebo materiálu s okolím, pretože plyn alebo kvapalina menia objem. Jediným výstupom v adiabatickom procese je namiesto toho práca. Existujú dva prípady, v ktorých môže dôjsť k adiabatickému procesu. Buď k procesu dôjde príliš rýchlo, aby sa teplo mohlo preniesť do alebo z celého systému, napríklad počas procesu kompresný zdvih plynového motora alebo sa to stane v nádobe, ktorá je tak dobre izolovaná, nemôže cez ňu prechádzať bariéra vôbec.

Rovnako ako ďalšie tu vysvetlené termodynamické procesy, ani jeden proces nie je skutočne adiabatický, ale aproximácia tohto ideálu je užitočná vo fyzike a inžinierstve. Napríklad spoločná charakteristika pre kompresory, turbíny a iné termodynamické stroje je adiabatická efektívnosť: Pomer skutočnej práce, ktorú stroj vydá, a koľko práce by vydal, ak by prešiel pravdou adiabatický proces.