Isokoriska processer: definition, ekvation och exempel

Den isokoriska processen är en av flera idealiserade termodynamiska processer som beskriver hur tillstånden hos en idealgas kan förändras. Den beskriver beteendet hos gas i en sluten behållare vid en konstant volym. I denna situation, när energi tillsätts, ändras endast gasens temperatur; det arbetar inte med omgivningen. Så inga motorer svänger, inga kolvar rör sig och ingen användbar effekt händer.

En isokorisk process (ibland kallad isovolumetrisk eller isometrisk process) är en termodynamisk process som sker vid en konstant volym. Eftersom volymen inte ändras bibehåller förhållandet mellan tryck och temperatur ett konstant värde.

Detta kan förstås genom att börja med den ideala gaslagen:

PV = nRT

Var P är gasens absoluta tryck, V är volym, n är mängden gas, R är den ideala gaskonstanten (8,31 J / mol K), och T är temperatur.

När volymen hålls konstant kan denna lag ordnas om för att visa att förhållandet mellan P till T måste också vara konstant:

Detta matematiska uttryck för förhållandet mellan tryck och temperatur är känt som Gay-Lussacs lag, så uppkallad efter den franska kemisten som kom på det i början av 1800-talet. Ett annat resultat av denna lag, som ibland också kallas trycklagen, är förmågan att förutsäga temperaturer och tryck för ideala gaser som genomgår isokoriska processer med följande ekvation:

Var P₁ och T₁ är gasens initialtryck och temperatur, och P₂ och T₂ är de slutliga värdena.

I ett diagram över tryck kontra temperatur eller ett PV-diagram representeras en isokorisk process av en vertikal linje.

Teflon (PTFE), den icke-reaktiva, mest hala substansen på planeten med applikationer över många branscher från rymd till matlagning, var en oavsiktlig upptäckt som berodde på en isokorisk bearbeta. År 1938 hade DuPont-kemisten Roy Plunkett satt upp en massa små cylindrar att lagra tetrafluoretylengas, för användning i kylteknik, som han sedan kyldes till extremt låg temperatur.

När Plunkett öppnade en senare kom ingen gas ut, även om massan på cylindern inte hade förändrats. Han huggade upp röret för att undersöka och såg en vit pulverbeläggning på insidan, vilket senare visade sig ha oerhört användbara kommersiella egenskaper.

Enligt Gay-Lussacs lag, när temperaturen snabbt sjönk, gjorde också trycket att initiera en fasförändring i gasen.

Den första lagen om termodynamik säger att förändringen i den inre energin i ett system är lika med värmen som läggs till systemet minus det arbete som utförts av systemet. (Med andra ord, energiinmatning minus energiproduktion.)

Arbetet som utförs av en idealgas definieras som dess tryck gånger dess volymförändring, eller PΔV (eller PdV). Eftersom volymen ändras ΔV, är noll i en isokorisk process, men inget arbete görs av gasen.

Följaktligen är förändringen i gasens inre energi helt enkelt lika med mängden tillsatt värme.

Ett exempel på en nästan isokorisk process är en tryckkokare. När den är förseglad stängd kan inte volymen inuti förändras, så när värme tillsätts ökar både tryck och temperatur snabbt. I själva verket expanderar tryckkokare något och lite gas släpps ut från en ventil ovanpå.

Värmemotorer är enheter som utnyttjar överföringen av värme för att göra något slags arbete. De använder ett cykliskt system för att omvandla värmeenergi som läggs till dem till mekanisk energi eller rörelse. Exempel är ångturbiner och fordonsmotorer.

Isokoriska processer används i många vanliga värmemotorer. De Otto Cycleär till exempel en termodynamisk cykel i bilmotorer som beskriver processen för värmeöverföring under tändning, kraftslaget flytta motorkolvar för att få bilen att gå, frisläppande av värme och kompressionsslaget som återvänder kolvar till start positioner.

I Otto-cykeln betraktas de första och tredje stegen, tillsats och frisättning av värme, som isokoriska processer. Cykeln förutsätter att värmeförändringarna inträffar omedelbart utan någon förändring i gasens volym. Arbetet utförs således endast på fordonet under kraft- och kompressionsfasen.

Arbetet som utförs av en värmemotor med Otto-cykeln representeras av området under kurvan i diagrammet. Detta är noll där de isokoriska processerna för värmetillsats och frisättning sker (de vertikala linjerna).

Isokoriska processer som dessa är i allmänhet irreversibla processer. När värme har tillsatts är det enda sättet att återställa systemet till dess ursprungliga tillstånd att avlägsna värme på något sätt genom att göra arbete.

Isokoriska processer är bara en av flera idealiserade termodynamiska processer som beskriver gasernas beteende som är användbara för forskare och ingenjörer.

Några av de andra som diskuteras mer detaljerat någon annanstans på webbplatsen inkluderar:

Isobarisk process: Detta inträffar vid ett konstant tryck och är vanligt i många exempel från verkliga livet, inklusive kokande vatten på en spis, tändning av en tändsticka eller i luftandningströsklar. Detta beror på att jordens atmosfärs tryck för det mesta inte förändras mycket i ett lokalt område, till exempel i köket där någon gör pasta. Förutsatt att den ideala gaslagen gäller, är temperaturen dividerad med volym ett konstant värde för en isobar process.

Isotermisk process: Detta sker vid konstant temperatur. Till exempel, under en fasförändring som vatten som kokar från toppen av en kruka, är temperaturen stabil. Kylskåp använder också isotermiska processer och en industriell applikation är Carnot Engine. En sådan process är långsam eftersom den tillsatta värmen måste vara lika med den förlorade värmen som arbete för att hålla den totala temperaturen konstant. Förutsatt att den ideala gaslagstiftningen gäller är tryck gånger volym ett konstant värde för en isotermisk process.

Adiabatisk process: Det sker inget utbyte av värme eller material med omgivningen då en gas eller vätska ändrar volymen. Istället är den enda produktionen i en adiabatisk process arbete. Det finns två fall där en adiabatisk process kan inträffa. Antingen sker processen för snabbt för att värme ska kunna överföras till eller ut ur hela systemet, t.ex. under kompressionsslag av en gasmotor, eller det händer i en behållare som är så väl isolerad kan värme inte korsa barriär alls.

Liksom de andra termodynamiska processerna som förklaras här är ingen process verkligen adiabatisk, men att närma sig detta ideal är användbart inom fysik och teknik. Till exempel är en vanlig karaktärisering av kompressorer, turbiner och andra termodynamiska maskiner adiabatisk effektivitet: Förhållandet mellan det verkliga arbetet som maskinen utför och hur mycket arbete det skulle ge om det genomgick ett sant adiabatisk process.