Izotermični procesi: opredelitev, formula in primeri

Razumevanje, kaj so različni termodinamični procesi in kako uporabljamo prvi zakon termodinamike z vsakim, je ključnega pomena, ko začnemo razmišljati o toplotnih strojih in Carnotovih ciklih.

Številni procesi so idealizirani, zato čeprav ne odražajo natančno, kako se stvari dogajajo v v resničnem svetu so koristni približki, ki poenostavijo izračune in olajšajo risanje zaključki. Ti idealizirani procesi opisujejo, kako se lahko stanje idealnega plina spremeni.

Izotermični proces je le en primer in dejstvo, da se po definiciji pojavi pri posamezni temperaturi drastično poenostavi delo s prvim zakonom termodinamike, ko računate stvari, kot je toplotni motor procesov.

Izotermični proces je termodinamični proces, ki se pojavi pri konstantni temperaturi. Prednost dela pri stalni temperaturi in z idealnim plinom je, da lahko za povezavo tlaka in prostornine uporabite Boyleov zakon in zakon o idealnem plinu. Oba izraza (ker je Boyleov zakon eden izmed številnih zakonov, ki so bili vključeni v zakon o idealnem plinu) kažeta obratno razmerje med tlakom in prostornino. Boyleov zakon pomeni, da:

Kjer indeksi označujejo tlak (P) in prostornina (V) v času 1 in tlak in prostornina v času 2. Enačba kaže, da če se na primer prostornina podvoji, se mora tlak zmanjšati za polovico, da ostane enačba uravnotežena, in obratno. Popoln zakon o idealnem plinu je

kjenje število molov plina,Rje univerzalna plinska konstanta inTje temperatura. S fiksno količino plina in fiksno temperaturo,PVmora imeti konstantno vrednost, ki vodi do prejšnjega rezultata.

Na diagramu tlak-prostornina (PV), ki je diagram tlaka v primerjavi z prostornine, ki se pogosto uporablja za termodinamične procese, je izotermičen postopek videti kot grafy​ = 1/​x, ki se upogne navzdol proti svoji najnižji vrednosti.

Ena točka, ki ljudi pogosto zmede, je razlikovanje med njimiizotermičnavs.adiabatski, vendar razčlenitev besede na dva dela vam lahko pomaga, da se tega spomnite. "Iso" pomeni enaka, "toplotna" pa se nanaša na toploto (tj. Njegovo temperaturo), zato "izotermična" dobesedno pomeni "pri enaki temperaturi". Adiabatski procesi ne vključujejo toploteprenos, vendar se temperatura sistema med njimi pogosto spreminja.

Prvi zakon termodinamike pravi, da sprememba notranje energije (∆U) za sistem je enaka toploti, dodani sistemu (V) minus delo sistema (W) ali v simbolih:

Ko imate opravka z izotermičnim procesom, lahko dejstvo, da je notranja energija skupaj s tem zakonom sorazmerna s temperaturo, izkoristite za koristen zaključek. Notranja energija idealnega plina je:

To pomeni, da imate za stalno temperaturo stalno notranjo energijo. Torej z∆U= 0, lahko prvi zakon termodinamike enostavno uredimo tako, da:

Ali, z besedami, toplota, dodana sistemu, je enaka delu, ki ga opravi sistem, kar pomeni, da se dodana toplota uporablja za delo. Na primer, pri izotermični ekspanziji se sistemu doda toplota, zaradi česar se ta širi in dela na okolju, ne da bi pri tem izgubil notranjo energijo. Pri izotermičnem stiskanju okolje deluje na sistem in povzroči, da sistem izgubi to energijo kot toploto.

Toplotni motorji uporabljajo celoten cikel termodinamičnih procesov za pretvorbo toplotne energije v mehansko energijo, običajno s premikanjem bata, ko se plin v toplotnem motorju širi. Izotermični procesi so ključni del tega cikla, saj se dodana toplotna energija v celoti pretvori v delo brez izgub.

Vendar je to zelo idealiziran postopek, saj se v praksi vedno nekaj energije izgubi, ko se toplotna energija pretvori v delo. Da bi v resnici deloval, bi si moral vzeti neskončno veliko časa, da bi sistem lahko ves čas ostal v toplotnem ravnovesju z okolico.

Izotermični procesi se štejejo za reverzibilne, ker če ste postopek zaključili (na primer izotermični razširitev) lahko isti postopek zaženete v obratni smeri (izotermično stiskanje) in vrnete sistem v prvotni položaj država. V bistvu lahko isti postopek zaženete naprej ali nazaj, ne da bi kršili zakone fizike.

Če pa bi to poskusili v resničnem življenju, bi drugi zakon termodinamike pomenil povečanje entropije med postopkom »naprej«, zato sistem »nazaj« ne bi popolnoma vrnil sistema v prvotni položaj država.

Če izotermični proces narišete na PV-diagramu, je delo med postopkom enako površini pod krivuljo. Čeprav lahko na ta način izračunate opravljeno delo izotermično, je pogosto lažje samo uporabiti prvi zakon termodinamike in dejstvo, da je opravljeno delo enako toploti, dodani sistemu.

Če izvajate izračune za izotermični postopek, obstaja še nekaj enačb, s katerimi lahko poiščete opravljeno delo. Prva od teh je:

KjeV​_f je končni obseg inV​_jaz je začetni volumen. Z uporabo zakona o idealnem plinu lahko nadomestite začetni tlak in prostornino (P​_jaz inV​_jaz) zanRTv tej enačbi dobiti:

V večini primerov je delo z dodano toploto lažje, toda če imate samo informacije o tlaku, prostornini ali temperaturi, bi lahko ena od teh enačb poenostavila težavo. Ker je delo oblika energije, je njegova enota džul (J).

Obstaja veliko drugih termodinamičnih procesov, in mnoge od njih lahko razvrstimo na podoben način kot izotermične procese, le da so druge temperature razen temperature konstantne. Izobarični proces je proces, ki se pojavi pri konstantnem tlaku in zaradi tega je sila, ki deluje na stene posode, konstantna in opravljeno delo dobimo sW​ = ​P∆V​.

Za plin, ki se izobarično širi, mora obstajati prenos toplote, da se tlak ohranja konstanten, ta toplota pa spreminja notranjo energijo sistema in tudi dela.

Izohorni proces poteka s konstantno prostornino. To vam omogoča poenostavitev prvega zakona termodinamike, ker če je prostornina konstantna, sistem ne more delati na okolje. Posledično je sprememba notranje energije sistema v celoti posledica prenesene toplote.

Adiabatski proces je proces, ki se zgodi brez izmenjave toplote med sistemom in okoljem. To pa ne pomeni, da v sistemu ni sprememb temperature, ker lahko postopek vodi do zvišanja ali znižanja temperature brez neposrednega prenosa toplote. Vendar brez prvega prenosa toplote prvi zakon kaže, da mora biti kakršna koli sprememba notranje energije posledica dela na sistemu ali sistema, saj določaV= 0 v enačbi.