KAS YRA IZOTERMINIS PROCESAS? (PAVYZDŽIAI, PRATYBOS) - FIZINIS - 2024

Izoterminis arba izoterminis procesas yra grįžtamas termodinaminis procesas, kurio metu temperatūra išlieka pastovi. Dujose yra situacijų, kai pasikeitus sistemai nekyla temperatūros pokyčiai, o fizinės savybės.

Šie pokyčiai yra fazių pokyčiai, kai medžiaga keičiasi iš kieto į skystą, iš skystos į dują arba atvirkščiai. Tokiais atvejais medžiagos molekulės pakoreguoja savo padėtį, pridedant arba išgaunant šiluminę energiją.

Lydymosi varvekliai yra izoterminio proceso pavyzdys. Šaltinis: „Pixabay“.

Šiluminė energija, reikalinga fazės pokyčiams medžiagoje, vadinama latentine šiluma arba virsmo šiluma.

Vienas iš būdų izoterminiam proceso sudarymui yra medžiagos, kuri bus tiriama sistema, sąlytis su išoriniu šiluminiu rezervuaru, tai yra kita sistema, turinti didelę kalorinę galią. Tokiu būdu vyksta toks lėtas šilumos mainai, kad temperatūra išlieka pastovi.

Šis procesas gamtoje vyksta dažnai. Pvz., Žmonėms, pakilus ar nukritus kūno temperatūrai, jaučiamės nedarbingi, nes mūsų kūne daugybė cheminių reakcijų, palaikančių gyvybę, vyksta esant pastoviai temperatūrai. Tai pasakytina apie šiltakraujus gyvūnus apskritai.

Kiti pavyzdžiai yra ledas, kuris tirpsta karštyje atėjus pavasariui, ir ledo gabaliukai, kurie atvėsina gėrimą.

- Šiltakraujų gyvūnų metabolizmas vyksta pastovioje temperatūroje.

2 pav. Šilto kraujo gyvūnai turi mechanizmus, kurie palaiko pastovią temperatūrą. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

- Kai vanduo verda, vyksta fazės pokyčiai iš skysčio į dujas, o temperatūra išlieka pastovi maždaug 100ºC, nes vertę gali paveikti kiti veiksniai.

- Ledo tirpimas yra dar vienas įprastas izoterminis procesas, kaip ir vandens įdėjimas į šaldiklį, kad susidarytų ledo gabaliukai.

-Automobilių varikliai, šaldytuvai, kaip ir daugelis kitų mašinų rūšių, tinkamai veikia tam tikroje temperatūros diapazone. Prietaisai, vadinami termostatais, naudojami palaikyti tinkamą temperatūrą. Projektuojant naudojami įvairūs veikimo principai.

Carnot ciklas

„Carnot“ variklis yra ideali mašina, iš kurios gaunamas darbas dėl visiškai grįžtamų procesų. Tai ideali mašina, nes joje neaptariami procesai, kurie išsklaido energiją, pavyzdžiui, darbą atliekančios medžiagos klampumas ar trintis.

Carnot ciklą sudaro keturi etapai, iš kurių du yra tiksliai izoterminiai, o kiti du yra adiabatiniai. Izoterminiai etapai yra dujų, atsakingų už naudingo darbo atlikimą, suspaudimas ir išsiplėtimas.

Automobilio variklis veikia panašiais principais. Stūmoklio judėjimas cilindro viduje perduodamas kitoms automobilio dalims ir sukuria judėjimą. Jis neturi tokios idealios sistemos kaip „Carnot“ variklis, tačiau termodinaminiai principai yra įprasti.

Izoterminio proceso metu atlikto darbo apskaičiavimas

Norėdami apskaičiuoti sistemos atliktą darbą esant pastoviai temperatūrai, turime naudoti pirmąjį termodinamikos dėsnį, kuris skelbia:

Tai yra dar vienas būdas išreikšti energijos išsaugojimą sistemoje, pateiktą per ΔU arba energijos pokyčius, Q kaip tiekiamą šilumą ir galiausiai W, tai yra darbas, kurį daro ta sistema.

Tarkime, kad nagrinėjama sistema yra idealios dujos, esančios A srities judančio stūmoklio cilindre ir atliekančios darbus, kai jos tūris V keičiasi iš V ₁ į V _2.

3 pav. Atliekant izoterminį procesą, dujos išsiplečia stūmoklyje nekeisdamos temperatūros. Šaltinis: youtube.

Idealioji dujų lygtis yra PV = nRT, susiejant tūrį su slėgiu P ir temperatūra T. N ir R vertės yra pastovios: n yra dujų molių skaičius, o R - dujų konstanta. Izoterminio proceso atveju PV produktas yra pastovus.

Na, atliktas darbas apskaičiuojamas integruojant nedidelį diferencinį darbą, kuriame jėga F sukuria nedidelį poslinkį dx:

Kadangi „Adx“ yra tikslus tūrio pokytis dV, tada:

Norėdami gauti bendrą darbą izoterminiame procese, mes integruojame dW išraišką:

P slėgis P ir tūris V pažymimi PV diagramoje, kaip parodyta paveikslėlyje, o atliktas darbas yra lygus plotui po kreivės:

4 pav. Izoterminio proceso PV diagrama. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Kadangi ΔU = 0, nes temperatūra išlieka pastovi, izoterminiame procese mes turime:

- 1 pratimas

Cilindre, turinčiame judantį stūmoklį, idealios dujos yra 127ºC temperatūroje. Jei stūmoklis juda sumažindamas pradinį tūrį 10 kartų, palaikydamas pastovią temperatūrą, suraskite cilindre esančių dujų molinių skaičių, jei darbas su dujomis yra 38 180 J.

Duomenys : R = 8,3 J / mol. K

Sprendimas

Pareiškime teigiama, kad temperatūra išlieka pastovi, todėl vyksta izoterminis procesas. Atlikdami darbus, susijusius su dujomis, turime anksčiau išvestą lygtį:

127 ° C = 127 + 273 K = 400 K

Išspręskite n, apgamų skaičių:

n = W / VK LN (V2 / V1) = -38180 J / 8,3 J / mol. K x 400 K x LN (V ₂ / 10V ₂ ) = 5 apgamai

Prieš darbą buvo pateiktas neigiamas ženklas. Dėmesingas skaitytojas ankstesniame skyriuje pastebės, kad W buvo apibrėžtas kaip „sistemos atliktas darbas“ ir turi „+“ ženklą. Taigi „sistemos darbas“ yra neigiamas ženklas.

- 2 pratimas

Cilindre, kuriame yra stūmoklis, turite oro. Iš pradžių 100 kPa slėgio ir 80ºC temperatūros dujų yra 0,4 m ³ . Oras suspaudžiamas iki 0,1 m ^3, užtikrinant, kad proceso metu cilindro temperatūra išliktų pastovi.

Nustatykite, kiek darbo nuveikta šio proceso metu.

Sprendimas

Mes naudojame lygtį anksčiau gautiems darbams, tačiau molių skaičius nežinomas, kurį galima apskaičiuoti naudojant idealiųjų dujų lygtį:

80 ºC = 80 + 273 K = 353 K.

P ₁ V ₁ = nRT → n = P ₁ V ₁ / RT = 100000 Pa x 0,4 m ^{3 /} 8,3 J / mol. K x 353 K = 13,65 mol

W = nRT ln (V ₂ / V ₁ ) = 13,65 mol x 8,3 J / mol. K x 353 K x ln (0,1 / 0,4) = -55,442,26 J

Vėlgi neigiamas ženklas rodo, kad buvo atliktas darbas su sistema, o tai visada atsitinka suspaudžiant dujas.

Nuorodos

1. Bauer, W. 2011. Fizika inžinerijai ir mokslams. 1 tomas. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamika. 7 ^ma leidimas. McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika mokslui ir inžinerijai. Skyrius 4. Skysčiai ir termodinamika. Redagavo Douglas Figueroa (USB).
4. Knight, R. 2017. Fizika mokslininkams ir inžinerijai: strategijos metodas.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fizikos pagrindai. 9 ^{na „} Cengage“ mokymasis.
6. Vikipedija. Izoterminis procesas. Atkurta iš: en.wikipedia.org.