Розуміння того, що таке різні термодинамічні процеси і як ви використовуєте перший закон термодинаміки з кожним із них, має вирішальне значення, коли ви починаєте розглядати теплові машини та цикли Карно.
Багато процесів ідеалізовані, тому, хоча вони не відображають точно, як відбуваються речі в реальний світ, це корисні наближення, які спрощують розрахунки та полегшують малювання висновки. Ці ідеалізовані процеси описують, як можуть змінюватися стани ідеального газу.
Ізотермічний процес - лише один приклад, і той факт, що він відбувається за однієї температури за визначенням різко спрощує роботу з першим законом термодинаміки при обчисленні таких речей, як тепловий двигун процесів.
Що таке ізотермічний процес?
Ізотермічний процес - це термодинамічний процес, який відбувається при постійній температурі. Перевага роботи при постійній температурі та ідеальному газі полягає в тому, що ви можете використовувати закон Бойля та закон ідеального газу для співвідношення тиску та об’єму. Обидва ці вирази (оскільки закон Бойля є одним із кількох законів, які були включені до закону ідеального газу) показують зворотну залежність між тиском і об’ємом. Закон Бойла передбачає, що:
P_1V_1 = P_2V_2
Де індекси позначають тиск (P) та обсяг (V) в момент часу 1 і тиск і об’єм у момент часу 2. Рівняння показує, що якщо об'єм подвоїться, наприклад, тиск повинен зменшитися вдвічі, щоб зберегти рівняння збалансованим, і навпаки. Повний закон про ідеальний газ такий
PV = nRT
деп- кількість молей газу,Р.- універсальна газова постійна іТ- це температура. З фіксованою кількістю газу та фіксованою температурою,PVповинен приймати постійне значення, що веде до попереднього результату.
На діаграмі тиск-об'єм (PV), яка є графіком тиску проти Об'єм, який часто використовується для термодинамічних процесів, ізотермічний процес виглядає як графікр = 1/х, вигинаючись вниз до свого мінімального значення.
Один момент, який часто бентежить людей, - це різниця між нимиізотермічнийпротиадіабатичний, але розбиття слова на дві частини може допомогти вам запам’ятати це. "Ізо" означає рівний, а "тепловий" відноситься до тепла (тобто його температури), тому "ізотермічний" буквально означає "при рівній температурі". Адіабатичні процеси не включають теплопередача, але температура системи часто змінюється під час них.
Ізотермічні процеси та перший закон термодинаміки
Перший закон термодинаміки говорить, що зміна внутрішньої енергії (∆U) для системи дорівнює теплу, доданому в систему (Питання) мінус робота, виконана системою (W), або символами:
∆U = Q - W
Коли ви маєте справу з ізотермічним процесом, ви можете використовувати той факт, що внутрішня енергія прямо пропорційна температурі поряд із цим законом, щоб зробити корисний висновок. Внутрішня енергія ідеального газу:
U = \ frac {3} {2} nRT
Це означає, що для постійної температури у вас є постійна внутрішня енергія. Так і з∆U= 0, перший закон термодинаміки легко переставити таким чином:
Q = W
Або, словами, тепло, додане в систему, дорівнює роботі, виконаній системою, що означає, що додане тепло використовується для роботи. Наприклад, при ізотермічному розширенні до системи додається тепло, що змушує її розширюватися, виконуючи роботу з навколишнім середовищем, не втрачаючи внутрішньої енергії. При ізотермічному стисненні середовище працює на систему і змушує систему втрачати цю енергію як тепло.
Ізотермічні процеси в теплових двигунах
Теплові двигуни використовують повний цикл термодинамічних процесів для перетворення теплової енергії в механічну, як правило, переміщенням поршня в міру розширення газу в тепловій машині. Ізотермічні процеси є ключовою частиною цього циклу, при цьому додана теплова енергія повністю перетворюється на роботу без втрат.
Однак це дуже ідеалізований процес, оскільки на практиці завжди буде втрачатися деяка кількість енергії, коли теплова енергія перетворюється на роботу. Щоб вона працювала в реальності, потрібно було б зайняти нескінченну кількість часу, щоб система могла постійно залишатися в тепловій рівновазі з оточенням.
Ізотермічні процеси вважаються оборотними, оскільки якщо ви завершили процес (наприклад, ізотермічний розширення) ви можете запустити той самий процес в зворотному порядку (ізотермічне стиснення) і повернути систему до початкової держава. По суті, ви можете запускати один і той же процес вперед або назад у часі, не порушуючи жодних законів фізики.
Однак, якщо ви спробували це в реальному житті, другий закон термодинаміки означав би збільшення ентропія під час процесу "вперед", тому "назад" не поверне повністю систему до її початкової держава.
Якщо ви побудуєте ізотермічний процес на PV-діаграмі, робота, виконана під час процесу, дорівнює площі під кривою. Хоча таким чином можна обчислити виконану роботу ізотермічно, часто простіше просто скористатися першим законом термодинаміки та тим фактом, що виконана робота дорівнює теплу, доданому в систему.
Інші вирази для роботи, виконаної в ізотермічних процесах
Якщо ви робите розрахунки для ізотермічного процесу, є кілька інших рівнянь, за якими ви можете знайти виконану роботу. Перший з них:
W = nRT \ ln \ bigg (\ frac {V_f} {V_i} \ bigg)
ДеVf - кінцевий обсяг іVi - початковий обсяг. Використовуючи закон ідеального газу, ви можете замінити початковий тиск і об’єм (Pi іVi) дляnRTу цьому рівнянні отримати:
W = P_iV_i \ ln \ bigg (\ frac {V_f} {V_i} \ bigg)
У більшості випадків може бути простіше працювати за допомогою доданого тепла, але якщо у вас є лише інформація про тиск, об’єм або температуру, одне з цих рівнянь може спростити проблему. Оскільки робота є формою енергії, її одиницею є джоуль (J).
Інші термодинамічні процеси
Існує багато інших термодинамічних процесів, і багато з них можна класифікувати подібним чином до ізотермічних процесів, за винятком того, що величини, відмінні від температури, є постійними протягом усього часу. Ізобарний процес - це процес, який відбувається під постійним тиском, і через це сила, що діє на стінки контейнера, є постійною, і виконана робота визначаєтьсяW = P∆V.
Для газу, який зазнає ізобаричного розширення, необхідна передача тепла, щоб підтримувати тиск постійним, і це тепло змінює внутрішню енергію системи, а також виконує роботу.
Ізохорний процес відбувається при постійному обсязі. Це дозволяє спростити перший закон термодинаміки, оскільки якщо об’єм постійний, система не може працювати на навколишнє середовище. Як результат, зміна внутрішньої енергії системи відбувається повністю за рахунок переданого тепла.
Адіабатичний процес - це процес, який відбувається без теплообміну між системою та навколишнім середовищем. Це не означає, що в системі немає змін температури, оскільки процес може призвести до підвищення або зниження температури без прямої тепловіддачі. Однак, без передачі тепла, перший закон показує, що будь-яка зміна внутрішньої енергії має відбуватися внаслідок роботи, виконаної в системі або системі, оскільки вона встановлюєПитання= 0 у рівнянні.