Čo je izotermický proces? (Príklady, cvičenia)

On izotermický proces alebo izoterma je reverzibilný termodynamický proces, v ktorom teplota zostáva konštantná. V plyne existujú situácie, keď zmena v systéme neprináša zmeny teploty, ale fyzikálnych charakteristík.

Tieto zmeny sú fázové zmeny, keď sa látka zmení z tuhej kvapaliny, plynovej kvapaliny alebo naopak. V takýchto prípadoch molekuly látky upravujú svoju polohu a pridávajú alebo extrahujú tepelnú energiu.

postava 1. Carambans, ktorí topia, sú príkladom izotermálneho procesu. Zdroj: Pixabay.

Tepelná energia potrebná na to, aby sa fázová zmena vyskytla v látke, sa nazýva latentné teplo alebo transformačné teplo.

Jedným zo spôsobov, ako získať izotermický proces, je kontaktovať látku, ktorá bude študovaným systémom s vonkajším tepelným ložiskom, čo je ďalší veľký kapacitný systém kapacít. Týmto spôsobom sa vyskytuje taká pomalá výmena tepla, že teplota zostáva konštantná.

Tieto typy procesov sa často dajú v prírode. Napríklad u ľudí, keď sa telesná teplota zvyšuje alebo zostupuje, sa cítime zle, pretože v našom tele sú početné chemické reakcie, ktoré udržiavajú život pri konštantnej teplote. Toto platí vo všeobecnosti pre horúcu krv.

Ďalšími príkladmi sú ľad, ktorý sa topí s teplom, keď prídu na jar a kocky ľadu.

[TOC]

 Príklady izotermických procesov

-Horúce zvieratá Metabolizmus sa vykonáva pri konštantnej teplote.

Obrázok 2. Zvieratá s horúcim obsahom majú mechanizmy na udržanie konštantnej teploty. Zdroj: Wikimedia Commons.

-Keď voda varí, dôjde k zmene fázy, plynovej kvapaliny a teplota zostáva konštantná pri približne 100 ° C, pretože ďalšie faktory môžu ovplyvniť hodnotu.

-Ľad, ktorý sa topí, je ďalším častým izotermickým procesom, ako aj vkladanie vody do mrazničky, aby sa vyrábali kocky ľadu.

Môže vám slúžiť: geometrická optika: aké štúdie, zákony, aplikácie, cvičenia

-Automobilové motory, chladničky, ako aj mnoho ďalších typov strojov, fungujú správne v určitom teplotnom rozsahu. Na udržanie vhodnej teploty sa zariadenia nazývajú Termostats. Vo svojom návrhu sa používajú rôzne prevádzkové princípy.

Cyklus Carnot

Carnot Engine je ideálny stroj, z ktorého sa práca získava vďaka úplne reverzibilným procesom. Je to ideálny stroj, pretože nezohľadňuje procesy, ktoré rozpúšťajú energiu, ako viskozitu látky, ktorá vykonáva prácu, ani trenie.

Cyklus Carnot sa skladá zo štyroch etáp, z ktorých dve sú presne izotermické a ďalšie dve adiabatické. Izotermické štádiá sú kompresia a rozširovanie plynu, ktorý je zodpovedný za výrobu užitočnej práce.

Motor automobilu pracuje s podobnými princípmi. Pohyb piest vo vnútri valca sa prenáša do iných častí vozidla a vytvára pohyb. Nemá správanie ideálneho systému, ako je Carnot Engine, ale termodynamické princípy sú bežné.

Výpočet práce vykonanej v izotermálnom procese

Na výpočet práce vykonanej systémom, keď je teplota konštantná, sa musí použiť prvý zákon termodynamiky, ktorý uvádza:

ΔU = q - w

Toto je ďalší spôsob vyjadrenia zachovania energie v systéme, prezentovaný prostredníctvom ΔU alebo zmena energie, Otázka Ako sa dodáva teplo a nakoniec W, čo je práca vykonaná uvedeným systémom.

Predpokladajme, že predmetný systém je ideálny plyn obsiahnutý vo valci piest v mobilnej oblasti Do, Čo funguje, keď je jeho objem Vložka zmena Vložka₁ do Vložka_2.

Obrázok 3. V izotermálnom procese sa plyn rozširuje v piestu bez zmeny teploty. Zdroj: YouTube.

Ideálna rovnica stavu plynu je PV = NRT, čo sa týka objemu s tlakom P a teplota Tón. Hodnoty n a r sú konštantné: n je počet mólov plynu a r konštanty plynu. V prípade izotermického procesu produkt PV Je to konštantné.

Môže vám slúžiť: Antoínové konštanty: vzorce, rovnice, príklady

Vykonaná práca sa vypočíta integráciou malého diferenciálneho diela, v ktorom sily F vytvára malý posun DX:

Dw = fdx = PADX

Ako ADX je presne variácia objemu DV, tak:

DW = PDV

Na získanie celkovej práce v izotermálnom procese je výraz DW integrovaný:

Tlak P a objem Vložka Sú to grafy v diagrame P-V Ako je znázornené na obrázku a vykonaná práca je rovnocenná s oblasťou pod krivkou:

Obrázok 4. P-V diagram izotermálneho procesu. Zdroj: Wikimedia Commons.

Ako ΔU = 0 Pretože teplota zostáva konštantná, v izotermálnom procese musí:

Q = w

- Cvičenie 1

Valec vybavený mobilným piestom obsahuje ideálny plyn pri 127 ° C. Ak sa piest pohybuje, až kým sa počiatočný objem nezníži 10 -krát, udržiavajte teplotnú konštantu, nájdite množstvo krtkov obsiahnutých vo valci, ak je práca vykonaná na plyne 38.180 J.

Skutočnosť: R = 8.3 j/mol. Klimatizovať

Riešenie

Vyhlásenie potvrdzuje, že teplota zostáva konštantná, potom sme v prítomnosti izotermického procesu. Za prácu vykonanú na plyne máte predtým odpočítanú rovnicu:

Počiatočný zväzok V₁ je 10 -násobok konečného zväzku V₂, Preto V₁ = 10V₂. Veľmi dôležité: Pred výmenou údajov si všimnite, že plynná konštanta má jednotky medzinárodného systému, preto je potrebné odovzdať stupne Celzia do Kelvina:

127 ° C = 127 + 273 K = 400 K

N Clear, počet krtkov:

N = w / rt ln (v2 / v1) = -38180 j / 8.3 j/mol.K x 400 k x Ln (v₂/10V₂) = 5 mólov

Negatívny znak bol pred prácou. Pozorný čitateľ si všimol v predchádzajúcej časti, že W bola definovaná ako „práca vykonaná systémom“ a má znamenie +. Takže „práca vykonaná v systéme“ má negatívne znamenie.

Môže vám slúžiť: Druhá rovnovážna podmienka: Vysvetlenie, príklady, cvičenia

- Cvičenie 2

Máte vzduch vo valci vybavený piestom. Spočiatku je 0.4 m³ tlaku pri teplote 100 kPa a 80 ° C. Vzduch je komprimovaný na 0.1 m³ Uistite sa, že teplota vo valci zostáva počas procesu konštantná.

Určite, koľko práce sa vykonáva počas tohto procesu.

Riešenie

Používame rovnicu pre predtým odpočítanú prácu, ale počet mólov nie je známy, ktoré je možné vypočítať pomocou rovnice ideálnych plynov:

80 ° C = 80 + 273 K = 353 K.

P₁Vložka₁ = n.R.T → n = P₁Vložka₁ /Rt = 100 000 pa x 0.4 m³ /8.3 j/mol. K x 353 K = 13.65 mol

W = n.R.T ln (v₂/V₁) = 13.65 mol x 8.3 j/mol. K x 353 K x Ln (0.1/0.4) = -55.442,26 J

Negatívne znamenie opäť naznačuje, že práca sa vykonala v systéme, čo sa vždy stáva, keď je plyn komprimovaný.

Odkazy

1. Bauer, w. 2011. Fyzika pre inžinierstvo a vedy. Zväzok 1. MC Graw Hill.
2. Cengel a. 2012. Termodynamika. 7^mamička Vydanie. McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Séria: Fyzika pre vedu a inžinierstvo. Zväzok 4. Tekutiny a termodynamika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
4. Rytier, r.  2017. Fyzika pre vedcov a inžinierstvo: Strategický prístup.
5. Serway, r., Vulle, C. 2011. Základy fyziky. 9^nat Učenie sa.
6. Wikipedia. Izotermický proces. Zdroj: In.Wikipedia.orgán.