Разумевање различитих термодинамичких процеса и начина коришћења првог закона термодинамике код сваког од њих је пресудно када почнете да разматрате топлотне моторе и Царнотове циклусе.
Многи процеси су идеализовани, па иако не одражавају тачно како се ствари догађају у стварном свету, корисне су апроксимације које поједностављују прорачуне и олакшавају цртање закључци. Ови идеализовани процеси описују како се стања идеалног гаса могу мењати.
Изотермни процес је само један пример и чињеница да се он по дефиницији дешава на једној температури драстично поједностављује рад са првим законом термодинамике када рачунате ствари попут топлотног мотора процеси.
Шта је изотермни процес?
Изотермни процес је термодинамички процес који се јавља при константној температури. Предност рада на константној температури и са идеалним гасом је у томе што за повезивање притиска и запремине можете користити Боилеов закон и закон о идеалном гасу. Оба ова израза (пошто је Бојлов закон један од неколико закона који су уграђени у закон о идеалном гасу) показују обрнуту везу између притиска и запремине. Бојлов закон подразумева да:
П_1В_1 = П_2В_2
Тамо где индекси означавају притисак (П.) и запремина (В.) у тренутку 1 и притисак и запремина у тренутку 2. Једначина показује да, на пример, ако се запремина удвостручи, на пример, притисак мора да се смањи за пола како би се једначина одржала уравнотеженом и обрнуто. Потпуни закон о идеалном гасу је
ПВ = нРТ
гденје број молова гаса,Р.је универзална гасна константа иТ.је температура. Са фиксном количином гаса и фиксном температуром,ПВмора узети константну вредност, што доводи до претходног резултата.
На дијаграму притисак-запремина (ПВ), који је графикон притиска вс. запремине која се често користи за термодинамичке процесе, изотермни процес изгледа као графиконг. = 1/Икс, кривудајући надоле према својој минималној вредности.
Једна тачка која људе често збуњује је разлика измеђуизотермнивс.адијабатски, али рашчлањивање речи на два дела може вам помоћи да се сетите овога. „Исо“ значи једнака, а „термичка“ се односи на нечију топлоту (тј. Њену температуру), па „изотермна“ дословно значи „на једнакој температури“. Адијабатски процеси не укључују топлотупренос, али се температура система током њих често мења.
Изотермни процеси и први закон термодинамике
Први закон термодинамике каже да промена унутрашње енергије (∆У) за систем је једнак топлоти додатој у систем (К) минус рад система који је обавио (В), или у симболима:
∆У = К - В
Када се бавите изотермичким процесом, можете користити чињеницу да је унутрашња енергија поред овог закона директно пропорционална температури да бисте извукли користан закључак. Унутрашња енергија идеалног гаса је:
У = \ фрац {3} {2} нРТ
То значи да за константну температуру имате сталну унутрашњу енергију. Тако и са∆У= 0, први закон термодинамике може се лако преуредити у:
К = В
Или, речима, топлота додата у систем једнака је раду који систем ради, што значи да се додата топлота користи за обављање посла. На пример, у изотермалном ширењу, систему се додаје топлота, због чега се шири, радећи на животној средини без губитка унутрашње енергије. У изотермалној компресији, животна средина ради на систему и доводи до тога да систем губи ову енергију као топлоту.
Изотермни процеси у топлотним моторима
Топлотни мотори користе комплетан циклус термодинамичких процеса за претварање топлотне енергије у механичку, обично померањем клипа док се гас у топлотном мотору шири. Изотермни процеси су кључни део овог циклуса, с тим што се додата топлотна енергија у потпуности претвара у рад без икаквих губитака.
Међутим, ово је високо идеализован процес, јер ће се у пракси увек изгубити нека енергија када се топлотна енергија претвори у рад. Да би могао да функционише у стварности, требало би му бескрајно много времена да би систем могао да остане у топлотној равнотежи са околином у сваком тренутку.
Изотермни процеси се сматрају реверзибилним процесима, јер ако сте довршили поступак (на пример, изотермни проширење) могли бисте да покренете исти процес обрнуто (изотермална компресија) и вратите систем на свој изворни стање. У суштини, исти процес можете покретати напред или назад у времену без кршења било каквих закона физике.
Међутим, ако бисте ово покушали у стварном животу, други закон термодинамике би значио да је дошло до повећања ентропије током процеса „унапред“, тако да онај „уназад“ не би у потпуности вратио систем у првобитни положај стање.
Ако изотермични процес нацртате на ПВ дијаграму, рад урађен током процеса једнак је површини испод криве. Иако на овај начин можете израчунати изотермички обављени посао, често је лакше само користити први закон термодинамике и чињеницу да је обављени рад једнак топлоти која се додаје систему.
Остали изрази за рад у изотермним процесима
Ако радите прорачуне за изотермни процес, постоји још неколико једначина помоћу којих ћете пронаћи завршен посао. Прва од њих је:
В = нРТ \ лн \ бигг (\ фрац {В_ф} {В_и} \ бигг)
ГдеВ.ф је коначни волумен иВ.и је почетни волумен. Користећи закон о идеалном гасу, можете заменити почетни притисак и запремину (П.и иВ.и) занРТу овој једначини добити:
В = П_иВ_и \ лн \ бигг (\ фрац {В_ф} {В_и} \ бигг)
У већини случајева може бити лакше радити помоћу додате топлоте, али ако имате само информације о притиску, запремини или температури, једна од ових једначина може да поједностави проблем. Пошто је рад облик енергије, његова јединица је џул (Ј).
Остали термодинамички процеси
Постоје многи други термодинамички процеси, и многи од њих се могу класификовати на сличан начин као и изотермички процеси, осим што су друге количине осим температуре константне. Изобарни процес је онај који се дешава под константним притиском и због тога је сила која делује на зидове контејнера константна, а обављени посао дајеВ = П∆В.
За гас који пролази кроз изобарно ширење, потребан је пренос топлоте како би се притисак одржао константним, а та топлота мења унутрашњу енергију система, као и рад.
Изохорни процес се одвија при константној запремини. То вам омогућава да поједноставите први закон термодинамике, јер ако је запремина константна, систем не може да ради на животној средини. Као резултат, промена унутрашње енергије система у потпуности је последица пренете топлоте.
Адијабатски процес је онај који се одвија без размене топлоте између система и околине. То, међутим, не значи да у систему нема промене температуре, јер би процес могао довести до повећања или смањења температуре без директног преноса топлоте. Међутим, без преноса топлоте, први закон показује да свака промена у унутрашњој енергији мора бити резултат рада на систему или система, јер он постављаК= 0 у једначини.