KAJ JE IZOTERMIČEN PROCES? (PRIMERI, VAJE) - FIZIČNO - 2026

Izotermičen ali izotermičen proces je reverzibilen termodinamični proces, v katerem je temperatura ostane konstantna. Pri plinu obstajajo situacije, ko sprememba sistema ne povzroči sprememb v temperaturi, temveč fizične lastnosti.

Te spremembe so fazne spremembe, ko se snov spremeni iz trdne v tekočo, iz tekoče v plinsko ali obratno. V takih primerih molekule snovi prilagodijo svoj položaj, dodajo ali izločijo toplotno energijo.

Slika 1. Taljenje ledenikov je primer izotermičnega procesa. Vir: Pixabay.

Toplotna energija, potrebna za spremembo faze v snovi, se imenuje latentna toplota ali toplota transformacije.

Eden od načinov, kako narediti postopek izotermičen, je, da snov, ki bo predmet sistema, preiskujemo v stiku z zunanjim termičnim rezervoarjem, kar je drug sistem z veliko kalorično zmogljivostjo. Na ta način pride do tako počasne izmenjave toplote, da temperatura ostane konstantna.

Ta vrsta postopka se v naravi pogosto pojavlja. Na primer, pri ljudeh, ko telesna temperatura narašča ali pade, se počutimo slabo, saj se v našem telesu odvijajo številne kemične reakcije, ki vzdržujejo življenje pri stalni temperaturi. To velja za toplokrvne živali na splošno.

Drugi primeri so led, ki se v vročini topi ob prihodu pomladi, in ledene kocke, ki pijačo hladijo.

-O metabolizem toplokrvnih živali se izvaja pri konstantni temperaturi.

Slika 2. toplokrvne živali imajo mehanizme, s katerimi ohranjajo temperaturo konstantno. Vir: Wikimedia Commons.

-Ko voda zavre, pride do spremembe faze od tekočine do plina, temperatura pa ostane konstantna pri približno 100 ° C, ker lahko na vrednost vplivajo tudi drugi dejavniki.

-Taljenje ledu je še en pogost izotermičen postopek, kot je dajanje vode v zamrzovalnik za izdelavo kock ledu.

-Avtomobilski motorji, hladilniki, pa tudi mnogi drugi tipi strojev delujejo pravilno v določenem temperaturnem območju. Naprave, imenovane termostati, se uporabljajo za vzdrževanje ustrezne temperature. Pri njegovi zasnovi se uporabljajo različna načela delovanja.

Carnotov cikel

Carnotov motor je idealen stroj, na katerem je delo pridobljeno zahvaljujoč popolnoma reverzibilnim postopkom. Je idealen stroj, saj ne upošteva procesov, ki razsipajo energijo, kot je viskoznost snovi, ki deluje, niti trenja.

Carnotov cikel je sestavljen iz štirih stopenj, od katerih sta dve natančno izotermalni, drugi dve pa adiabatski. Izotermalne stopnje so stiskanje in raztezanje plina, ki je odgovoren za ustvarjanje koristnega dela.

Avto motor deluje na podobnih načelih. Gibanje bata znotraj valja se prenaša na druge dele avtomobila in povzroča gibanje. Nima ravnanja idealnega sistema, kot je Carnotov motor, vendar so termodinamična načela pogosta.

Izračun opravljenega dela v izotermičnem postopku

Za izračun dela, ki ga sistem opravi, ko je temperatura konstantna, moramo uporabiti prvi zakon termodinamike, ki pravi:

To je še en način izražanja ohranjanja energije v sistemu, ki je predstavljen skozi ΔU ali spremembo energije, Q kot dobavljena toplota in končno W, kar je delo omenjenega sistema.

Predpostavimo, da je zadevni sistem idealen plin, ki ga vsebuje valj premičnega bata območja A, ki deluje, kadar se njegova prostornina V spremeni iz V ₁ v V _2.

Slika 3. Pri izotermičnem postopku se plin razširi v batu, ne da bi spremenil temperaturo. Vir: youtube.

Idealna enačba plina je PV = nRT, ki se nanaša na prostornino na tlak P in temperaturo T. Vrednosti n in R sta konstantni: n je število molov plina in R je konstanta plinov. V primeru izotermičnega postopka je PV-izdelek konstanten.

No, opravljeno delo se izračuna z vključitvijo majhnega diferencialnega dela, pri katerem sila F ustvari majhen pomik dx:

Ker je Adx ravno sprememba glasnosti dV, potem:

Da dobimo skupno delo v izotermičnem procesu, vključimo izraz za dW:

Tlak P in volumen V sta prikazana na PV diagramu, kot je prikazan na sliki, opravljeno delo pa je enako površini pod krivuljo:

Slika 4. PV diagram izotermičnega procesa. Vir: Wikimedia Commons.

Ker je ΔU = 0, ker temperatura ostane konstantna, imamo v izotermičnem postopku:

- Vaja 1

Jeklenka, opremljena s premičnim batom, vsebuje idealen plin pri 127 ° C. Če se bat premakne za začetno prostornino 10-krat, pri čemer ohranja temperaturo konstantno, poiščite število molov plina v jeklenki, če je delo na plinu 38.180 J.

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

Rešitev

V izjavi piše, da temperatura ostane konstantna, zato smo v izotermnem procesu. Za opravljeno delo na plinu imamo predhodno sklenjeno enačbo:

127 º C = 127 + 273 K = 400 K

Rešite za n, število molov:

n = Š / RT ln (V2 / V1) = -38180 J / 8,3 J / mol. K x 400 K x ln (V ₂ / 10V ₂ ) = 5 molov

Delo je bilo pred negativnim predznakom. Pozorni bralec bo v prejšnjem razdelku opazil, da je bil W opredeljen kot "delo, ki ga je opravil sistem" in ima znak +. Torej ima "delo v sistemu" negativen predznak.

- Vaja 2

Zrak imate v cilindru, opremljenem s batom. Sprva je 0,4 m ³ plina pri 100 kPa tlaku in 80 ° C. Zrak se stisne na 0,1 m ^{3, kar} zagotavlja, da temperatura znotraj jeklenke med postopkom ostane konstantna.

Ugotovite, koliko dela je opravljenega v tem postopku.

Rešitev

Enačbo uporabljamo za predhodno pridobljeno delo, vendar število molov ni znano, kar lahko izračunamo z enačbo idealnega plina:

80 º C = 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

Ponovno negativni znak kaže, da je bilo v sistemu opravljeno delo, kar se vedno zgodi, ko plin stisnemo.

Reference

1. Bauer, W. 2011. Fizika za inženirstvo in znanosti. Zvezek 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamika. Izdaja 7 ^ma McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika za znanost in tehniko. Zvezek 4. Tekočine in termodinamika. Uredil Douglas Figueroa (USB).
4. Knight, R. 2017. Fizika za znanstvenike in inženiring: strateški pristop.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Osnove fizike. 9 ^na Cengage Learning.
6. Wikipedija. Izotermalni postopek. Pridobljeno: en.wikipedia.org.