İzotermal İşlemler: Tanım, Formül ve Örnekler

Isı motorlarını ve Carnot çevrimlerini düşünmeye başladığınızda, farklı termodinamik süreçlerin ne olduğunu ve termodinamiğin birinci yasasını her biriyle nasıl kullandığınızı anlamak çok önemlidir.

Süreçlerin çoğu idealize edilmiştir, bu nedenle olayların nasıl meydana geldiğini doğru bir şekilde yansıtmazlar. gerçek dünya, hesaplamaları basitleştiren ve çizmeyi kolaylaştıran yararlı yaklaşımlardır. sonuçlar. Bu idealize edilmiş süreçler, ideal bir gazın durumlarının nasıl değişebileceğini tanımlar.

İzotermal süreç sadece bir örnektir ve tanım gereği tek bir sıcaklıkta gerçekleşmesi gerçeğidir. ısı motoru gibi şeyleri hesaplarken termodinamiğin birinci yasasıyla çalışmayı büyük ölçüde basitleştirir süreçler.

Bir izotermal süreç, sabit bir sıcaklıkta meydana gelen termodinamik bir süreçtir. Sabit bir sıcaklıkta ve ideal bir gazla çalışmanın yararı, basınç ve hacmi ilişkilendirmek için Boyle yasasını ve ideal gaz yasasını kullanabilmenizdir. Bu ifadelerin her ikisi de (Boyle yasası, ideal gaz yasasına dahil edilen birkaç yasadan biridir) basınç ve hacim arasında ters bir ilişki gösterir. Boyle yasası şunu ima eder:

Alt simgelerin basıncı gösterdiği yerde (P) ve hacim (V) 1. zamandaki basınç ve hacim 2. zamandaki basınç ve hacim. Denklem, örneğin hacim iki katına çıkarsa, denklemi dengede tutmak için basıncın yarı yarıya azalması gerektiğini ve bunun tersini gösterir. Tam ideal gaz yasası

neredengazın mol sayısı,$evrensel gaz sabitidir veTsıcaklıktır. Sabit bir gaz miktarı ve sabit bir sıcaklık ile,PVönceki sonuca götüren sabit bir değer almalıdır.

Basınca karşı basınç grafiği olan bir basınç-hacim (PV) diyagramında. Genellikle termodinamik işlemler için kullanılan hacim, izotermal bir işlem aşağıdaki grafik gibi görünür.y​ = 1/​x, minimum değerine doğru aşağı doğru kıvrılır.

İnsanların kafasını karıştıran bir nokta, aradaki farktır.izotermalvs.adyabatik, ancak sözcüğü iki kısma ayırmak bunu hatırlamanıza yardımcı olabilir. "İso" eşit anlamına gelir ve "termal" bir şeyin ısısını (yani sıcaklığını) ifade eder, bu nedenle "izotermal" kelimenin tam anlamıyla "eşit sıcaklıkta" anlamına gelir. Adyabatik süreçler ısı içermezAktar, ancak sistemin sıcaklığı genellikle bunlar sırasında değişir.

Termodinamiğin birinci yasası, iç enerjideki değişimin (∆U) bir sistem için sisteme eklenen ısıya eşittir (S) eksi sistem tarafından yapılan iş (W) veya sembollerle:

İzotermal bir süreçle uğraşırken, bu yasanın yanı sıra iç enerjinin sıcaklıkla doğru orantılı olduğu gerçeğini faydalı bir sonuç çıkarmak için kullanabilirsiniz. İdeal bir gazın iç enerjisi:

Bu, sabit bir sıcaklık için sabit bir iç enerjiye sahip olduğunuz anlamına gelir. Böylece∆U= 0, termodinamiğin birinci yasası kolaylıkla şu şekilde yeniden düzenlenebilir:

Veya bir deyişle, sisteme eklenen ısı, sistemin yaptığı işe eşittir, yani eklenen ısı işi yapmak için kullanılır. Örneğin izotermal genleşmede sisteme ısı eklenir, bu da sistemin genişlemesine neden olur, iç enerjisini kaybetmeden ortam üzerinde iş yapar. İzotermal sıkıştırmada ortam sistem üzerinde çalışır ve sistemin bu enerjiyi ısı olarak kaybetmesine neden olur.

Isı motorları, genellikle ısı motorundaki gaz genişledikçe bir pistonu hareket ettirerek, ısı enerjisini mekanik enerjiye dönüştürmek için tam bir termodinamik süreç döngüsü kullanır. İzotermal süreçler, eklenen ısı enerjisinin herhangi bir kayıp olmadan tamamen işe dönüştürülmesiyle bu döngünün önemli bir parçasıdır.

Bununla birlikte, bu oldukça idealleştirilmiş bir süreçtir, çünkü pratikte ısı enerjisi işe dönüştürüldüğünde her zaman bir miktar enerji kaybı olacaktır. Gerçekte çalışması için, sistemin her zaman çevresiyle termal dengede kalabilmesi için sonsuz bir zaman alması gerekir.

İzotermal işlemler, tersinir işlemler olarak kabul edilir, çünkü bir işlemi tamamladıysanız (örneğin, bir izotermal genişletme) aynı işlemi tersine çalıştırabilir (izotermal bir sıkıştırma) ve sistemi orijinal haline döndürebilirsiniz. durum. Özünde, aynı süreci herhangi bir fizik yasasını çiğnemeden zamanda ileri veya geri çalıştırabilirsiniz.

Bununla birlikte, bunu gerçek hayatta denediyseniz, termodinamiğin ikinci yasası, bir artış olduğu anlamına gelirdi. "ileri" süreç sırasında entropi, bu nedenle "geri" olan, sistemi tamamen orijinaline döndürmez durum.

Bir PV diyagramında izotermal bir işlem çizerseniz, işlem sırasında yapılan iş eğrinin altındaki alana eşittir. İzotermal olarak yapılan işi bu şekilde hesaplayabilirsiniz, ancak termodinamiğin birinci yasasını ve yapılan işin sisteme eklenen ısıya eşit olduğu gerçeğini kullanmak genellikle daha kolaydır.

Bir izotermal süreç için hesaplamalar yapıyorsanız, yapılan işi bulmak için kullanabileceğiniz birkaç denklem daha vardır. Bunlardan ilki:

NeredeV​_f son hacimdir veV​_ben başlangıç ​​hacmidir. İdeal gaz yasasını kullanarak, başlangıç ​​basıncını ve hacmini değiştirebilirsiniz (P​_ben veV​_ben) içinnRTelde etmek için bu denklemde:

Çoğu durumda, eklenen ısı ile çalışmak daha kolay olabilir, ancak yalnızca basınç, hacim veya sıcaklık hakkında bilginiz varsa, bu denklemlerden biri sorunu basitleştirebilir. İş bir enerji biçimi olduğundan birimi joule'dür (J).

Başka birçok termodinamik süreç vardır ve bunların çoğu, sıcaklık dışındaki miktarların baştan sona sabit olması dışında, izotermal süreçlere benzer şekilde sınıflandırılabilir. Bir izobarik süreç, sabit bir basınçta meydana gelen bir süreçtir ve bu nedenle, kabın duvarlarına uygulanan kuvvet sabittir ve yapılan iş ile verilir.W​ = ​P∆V​.

İzobarik genleşmeye uğrayan gaz için, basıncı sabit tutabilmek için ısı transferine ihtiyaç vardır ve bu ısı iş yapmanın yanı sıra sistemin iç enerjisini de değiştirir.

Bir izokorik işlem sabit bir hacimde gerçekleşir. Bu, termodinamiğin birinci yasasında bir sadeleştirme yapmanızı sağlar, çünkü hacim sabitse sistem çevre üzerinde iş yapamaz. Sonuç olarak, sistemin iç enerjisindeki değişim tamamen aktarılan ısıdan kaynaklanmaktadır.

Adyabatik bir süreç, sistem ve çevre arasında ısı alışverişi olmadan gerçekleşen bir süreçtir. Bu, sistemde sıcaklıkta bir değişiklik olmadığı anlamına gelmez, çünkü süreç, doğrudan ısı transferi olmadan sıcaklıkta bir artışa veya azalmaya yol açabilir. Bununla birlikte, ısı transferi olmadığı için, birinci yasa, iç enerjideki herhangi bir değişikliğin, sistem üzerinde veya sistem tarafından yapılan işten kaynaklanması gerektiğini gösterir.S= 0 denklemde.