Izohorski procesi: opredelitev, enačba in primeri

Izohorni proces je eden izmed številnih idealiziranih termodinamičnih procesov, ki opisujejo, kako se lahko spreminjajo stanja idealnega plina. Opisuje obnašanje plina v zaprti posodi s konstantno prostornino. V tem primeru se ob dodajanju energije spremeni samo temperatura plina; ne dela na svoji okolici. Torej se noben motor ne vrti, bati se ne premikajo in ne pride do koristnih izhodov.

Izohorni proces (včasih imenovan izovolumetrični ali izometrični postopek) je termodinamični proces, ki se pojavlja pri konstantni prostornini. Ker se prostornina ne spreminja, razmerje med tlakom in temperaturo ohranja konstantno vrednost.

To lahko razumemo tako, da začnemo z zakonom o idealnem plinu:

PV = nRT

Kje P absolutni tlak plina, V je prostornina, n je količina plina, R je idealna plinska konstanta (8,31 J / mol K) in T je temperatura.

Kadar je volumen konstanten, lahko ta zakon preuredimo tako, da pokaže, da je razmerje med P do T mora biti tudi stalnica:

Ta matematični izraz razmerja med tlakom in temperaturo je znan kot Gay-Lussacov zakon, tako poimenovano po francoskem kemiku, ki ga je pripravil v zgodnjih 1800-ih. Drug rezultat tega zakona, ki ga včasih imenujejo tudi zakon o pritisku, je sposobnost predvidevanja temperature in tlake za idealne pline v izohornih procesih z uporabo naslednje enačbe:

Kje P₁ in T₁ so začetni tlak in temperatura plina in P₂ in T₂ so končne vrednosti.

Na grafu tlaka v primerjavi s temperaturo ali PV diagramu je izohorski proces predstavljen z navpično črto.

Teflon (PTFE), nereaktivna, najbolj spolzka snov na planetu, ki se uporablja pri mnogih industrije od letalske in vesoljske industrije do kuhanja, je bilo naključno odkritje, ki je nastalo zaradi izohore proces. Leta 1938 je kemik DuPont Roy Plunkett postavil kup majhnih jeklenk za shranjevanje plin tetrafluoroetilen, za uporabo v hladilnih tehnologijah, ki ga je nato do konca ohladil nizka temperatura.

Ko se je Plunkett pozneje odprl, ni prišel ven plin, čeprav se masa jeklenke ni spremenila. Cev je sekal, da bi jo preiskal, in videl notranjost belega prahu, ki se je kasneje izkazal za izjemno koristne komercialne lastnosti.

V skladu z Gay-Lussacovim zakonom se je temperatura, ko se je hitro zniževala, zmanjšal tudi tlak, ki je sprožil fazno spremembo plina.

Prvi zakon termodinamike pravi, da je sprememba notranje energije sistema enaka toploti, dodani sistemu, minus delo, ki ga sistem opravi. (Z drugimi besedami, vložena energija minus odvedena energija.)

Delo, ki ga opravi idealen plin, je opredeljeno kot njegov tlak, pomnožen s spremembo prostornine ali PΔV (ali PdV). Ker se glasnost spreminja ΔV, je v izohornem procesu nič, vendar plin ne opravi dela.

Zato je sprememba notranje energije plina preprosto enaka količini dodane toplote.

Primer a skoraj izohorni postopek je lonec pod pritiskom. Ko je zaprto zaprto, se prostornina znotraj ne more spremeniti, zato se ob dodajanju toplote hitro povečata tlak in temperatura. V resnici se lonci pod pritiskom nekoliko razširijo in nekaj plina se spusti iz ventila na vrhu.

Toplotni motorji so naprave, ki izkoriščajo prenos toplote za opravljanje neke vrste dela. Ciklični sistem uporabljajo za pretvorbo dodane toplotne energije v mehansko ali gibanje. Primeri so parne turbine in avtomobilski motorji.

Izohorski postopki se uporabljajo v mnogih običajnih toplotnih strojih. The Ottov cikelna primer termodinamični cikel v avtomobilskih motorjih, ki opisuje postopek prenosa toplote med vžigom, moč premikanje batov motorja za pogon avtomobila, sproščanje toplote in kompresijski hod, ki vračajo bate na njihov zagon položajih.

V Ottovem ciklu se prva in tretja stopnja, dodajanje in sproščanje toplote, štejeta za izohorne procese. Cikel predvideva, da se spremembe toplote pojavijo v trenutku, brez spremembe prostornine plina. Tako se na vozilu dela samo v fazah moči in tlačnega tlaka.

Delo toplotnega stroja z uporabo Ottovega cikla je na diagramu predstavljeno s površino pod krivuljo. To je nič, če se pojavljajo izohorni procesi dodajanja in sproščanja toplote (navpične črte).

Takšni izohorni procesi so na splošno nepovratni. Ko je toplota dodana, je edini način za povrnitev sistema v prvotno stanje, da nekako odstranite toploto z delom.

Izohorni procesi so le eden izmed idealiziranih termodinamičnih procesov, ki opisujejo vedenje plinov, koristnih znanstvenikom in inženirjem.

Nekateri drugi, ki so podrobneje obravnavani drugje na spletnem mestu, vključujejo:

Izobarski proces: To se dogaja pri stalnem tlaku in je pogosto v številnih resničnih primerih, vključno z vrelo vodo na štedilniku, prižiganjem vžigalice ali v zračnih dihalnih turbinah. To pa zato, ker se pritisk zemeljske atmosfere v lokalnem območju, kot je kuhinja, v kateri nekdo pripravlja testenine, večinoma ne spreminja veliko. Ob predpostavki, da velja zakon o idealnem plinu, je temperatura, deljena s prostornino, konstantna vrednost za izobarni postopek.

Izotermični proces: To se zgodi pri stalni temperaturi. Na primer, med fazno spremembo, kot je voda, ki vre z vrha posode, je temperatura enakomerna. Hladilniki uporabljajo tudi izotermične procese, industrijska aplikacija pa je Carnot Engine. Tak postopek je počasen, ker mora biti dodana toplota enaka toploti, izgubljeni med delom, da se ohrani celotna temperatura konstantna. Ob predpostavki, da velja zakon o idealnem plinu, je tlak in prostornina konstantna vrednost za izotermični postopek.

Adiabatski proces: Z okolico ni izmenjave toplote ali materiala, saj plin ali tekočina spreminja prostornino. Namesto tega je edini izid v adiabatskem procesu delo. Obstajata dva primera, v katerih bi lahko prišlo do adiabatskega procesa. Kakorkoli, postopek se zgodi prehitro, da bi se toplota prenesla v ali iz celotnega sistema, na primer med stisk plinskega motorja ali pa se zgodi v posodi, ki je tako dobro izolirana, da toplota ne more prečkati oviro.

Tako kot drugi tukaj opisani termodinamični postopki tudi noben postopek ni resnično adiabaten, vendar je približevanje temu idealu koristno v fiziki in tehniki. Na primer, običajna značilnost kompresorjev, turbin in drugih termodinamičnih strojev je adiabatska Učinkovitost: razmerje med dejanskim delom, ki ga doseže stroj, in številom dela, ki bi ga dosegel, če bi opravil resnično adiabatski proces.