Ізохорний процес - це один із декількох ідеалізованих термодинамічних процесів, що описують, як можуть змінюватися стани ідеального газу. Він описує поведінку газу в закритому контейнері при постійному обсязі. У цій ситуації при додаванні енергії змінюється лише температура газу; він не робить ніякої роботи над своїм оточенням. Таким чином, жоден двигун не обертається, не рухаються поршні, і не відбувається корисного виходу.
Що таке ізохорний процес?
Ізохоричний процес (який іноді називають ізоволюметричним або ізометричним процесом) - це термодинамічний процес, який відбувається при постійному об’ємі. Оскільки об’єм не змінюється, зв’язок між тиском і температурою підтримує постійне значення.
Це можна зрозуміти, починаючи із закону ідеального газу:
PV = nRT
Де P - абсолютний тиск газу, V - обсяг, п - кількість газу, Р - ідеальна газова постійна (8,31 Дж / моль К), і Т - це температура.
Коли обсяг підтримується постійним, цей закон можна переставити, щоб показати, що відношення P до Т також повинна бути константою:
\ frac {P} {T} = \ text {константа}
Цей математичний вираз співвідношення тиску і температури відомий як Закон Гей-Люссака, названий так на честь французького хіміка, який придумав його на початку 1800-х років. Іншим результатом цього закону, який іноді також називають законом тиску, є здатність передбачати температури та тиску для ідеальних газів, що зазнають ізохорних процесів, використовуючи таке рівняння:
\ frac {P_1} {T_1} = \ frac {P_2} {T_2}
Де P1 і Т1 - початковий тиск і температура газу, і P2 і Т2 - кінцеві значення.
На графіку тиску в залежності від температури або PV-діаграмі ізохорний процес представлений вертикальною лінією.
Тефлон (PTFE), нереактивна, найбільш слизька речовина на планеті, що застосовується у багатьох промисловості від аерокосмічної промисловості до кулінарії, було випадковим відкриттям, яке виникло внаслідок ізохорії процес. У 1938 році хімік Дюпона Рой Планкетт встановив купу маленьких балонів для зберігання газоподібний тетрафторетилен, для використання в холодильних технологіях, який потім він надзвичайно охолодив низька температура.
Коли Планкетт пізніше відкрився, газ не виходив, хоча маса балона не змінилася. Він розрізав трубку, щоб дослідити, і побачив білий порошок, що покриває всередині, що згодом виявилося надзвичайно корисними комерційними властивостями.
Відповідно до закону Гей-Люссака, коли температура швидко падала, зменшувався і тиск, щоб ініціювати фазову зміну газу.
Ізохоричні процеси та перший закон термодинаміки
Перший закон термодинаміки стверджує, що зміна внутрішньої енергії системи дорівнює теплу, доданому системі, мінус робота, виконана системою. (Іншими словами, вхідна енергія мінус вихідна енергія.)
Робота, яку виконує ідеальний газ, визначається як його тиск, помножений на його зміну в обсязі, або PΔV (або PdV). Тому що гучність змінюється ΔV, дорівнює нулю в ізохорному процесі, однак газ не робить ніякої роботи.
Отже, зміна внутрішньої енергії газу просто дорівнює кількості доданого тепла.
Приклад a майже ізохорний процес - скороварка. При закритому закритті об’єм всередині не може змінюватися, тому при додаванні тепла і тиск, і температура швидко зростають. Насправді скороварки трохи розширюються, і трохи газу виділяється з клапана зверху.
Ізохорні процеси в теплових двигунах
Теплові двигуни - це пристрої, які використовують передачу тепла для виконання якоїсь роботи. Вони використовують циклічну систему для перетворення доданої до них теплової енергії в механічну енергію або рух. Прикладами можуть бути парові турбіни та автомобільні двигуни.
Ізохорні процеси використовуються у багатьох поширених теплових двигунах. Цикл Отто, наприклад, це термодинамічний цикл в двигунах автомобілів, який описує процес теплопередачі під час запалювання, ударну силу рухомі поршні двигуна, щоб змусити машину їхати, виділення тепла та такт стиснення повертають поршні до їх запуску посади.
У Циклі Отто перший і третій кроки, додавання і виділення тепла, вважаються ізохорними процесами. Цикл передбачає, що теплові зміни відбуваються миттєво, без зміни обсягу газу. Таким чином, робота на транспортному засобі проводиться лише під час фаз потужності та удару стиску.
Робота, виконана тепловим двигуном із використанням циклу Отто, представлена на схемі площею під кривою. Це нуль, коли відбуваються ізохорні процеси додавання та виділення тепла (вертикальні лінії).
Такі ізохорні процеси, як правило, є незворотними процесами. Після додавання тепла єдиний спосіб повернути систему до початкового стану - це якось відвести тепло, виконуючи роботу.
Інші термодинамічні процеси
Ізохорні процеси - це лише один із декількох ідеалізованих термодинамічних процесів, що описують поведінку газів, корисних для вчених та інженерів.
Деякі з інших, детально обговорені в інших місцях на сайті, включають:
Ізобарний процес: Це відбувається при постійному тиску і часто зустрічається в багатьох прикладах із реального життя, включаючи киплячу воду на плиті, запалення сірника або в повітряних дихальних турбінах. Це пов’язано з тим, що здебільшого тиск атмосфери Землі сильно не змінюється в місцевій місцевості, наприклад, на кухні, на якій хтось готує макарони. Припускаючи, що застосовується закон ідеального газу, температура, поділена на об’єм, є постійним значенням для ізобарного процесу.
Ізотермічний процес: Це відбувається при постійній температурі. Наприклад, під час фазової зміни, наприклад, коли вода википає з верху горщика, температура є стабільною. Холодильники також використовують ізотермічні процеси, а промисловим застосуванням є двигун Карно. Такий процес повільний, оскільки додане тепло повинно дорівнювати теплу, втраченому в процесі роботи, щоб підтримувати загальну температуру постійною. Якщо припустити, що застосовується закон ідеального газу, тиск в обсязі є постійним значенням для ізотермічного процесу.
Адіабатичний процес: Не відбувається теплообміну або обміну матеріалами з оточенням, оскільки газ або рідина змінюють об’єм. Натомість єдиним результатом в адіабатичному процесі є робота. Є два випадки, коли може відбуватися адіабатичний процес. У будь-якому випадку процес відбувається занадто швидко, щоб тепло передавалось у цілу систему або виходило з неї, наприклад, під час удар компресії газового двигуна, або це відбувається в контейнері, який настільки добре ізольований тепло не може перетнути бар'єр взагалі.
Як і інші пояснювані тут термодинамічні процеси, жоден процес не є справді адіабатичним, але наближення до цього ідеалу корисно у фізиці та техніці. Наприклад, загальна характеристика компресорів, турбін та інших термодинамічних машин є адіабатичною ефективність: Співвідношення фактичної роботи, яку виконує машина, до того, скільки роботи вона виконала б, якби вона виконала справжню адіабатичний процес.