Att förstå vad olika termodynamiska processer är och hur du använder den första lagen för termodynamik med var och en är avgörande när du börjar överväga värmemotorer och Carnot-cykler.

Många av processerna är idealiserade, så medan de reflektera inte exakt hur saker och ting inträffar i den verkliga världen, de är användbara tillnärmningar som förenklar beräkningarna och gör det lättare att dra slutsatser. Dessa idealiserade processer beskriver hur tillstånden för en ideal gas kan förändras.

Den isotermiska processen är bara ett exempel, och det faktum att den sker vid en enda temperatur per definition förenklar drastiskt arbetet med termodynamikens första lag. när du beräknar saker som värmemotorprocesser.
Vad är en isotermisk process?

En isotermisk process är en termodynamisk process som sker vid en konstant temperatur. Fördelen med att arbeta vid en konstant temperatur och med en idealisk gas är att du kan använda Boyles lag och den ideala gaslagen för att relatera tryck och volym. Båda dessa uttryck (eftersom Boyles lag är en av flera lagar som införlivades i den ideala gaslagen) visar ett omvänt samband mellan tryck och volym. Boyle's lag antyder att:
P_1V_1 \u003d P_2V_2

Där abonnemangen anger trycket ( P
) och volym ( V
) vid tidpunkt 1 och trycket och volymen vid tiden 2. Ekvationen visar att om volymen till exempel fördubblas måste trycket minska med hälften för att hålla ekvationen balanserad, och vice versa. Den fulla ideala gaslagen är PV
\u003d nRT
, där n
är antalet mol i gasen, R
är den universella gasen konstant och T
är temperaturen. Med en fast mängd gas och en fast temperatur måste PV
ta ett konstant värde, vilket leder till föregående resultat.

På ett tryck-volymdiagram (PV), som är ett tryck av diagram kontra volym som ofta används för termodynamiska processer, en isotermisk process ser ut som diagrammet för y
\u003d 1 / x
, böjd nedåt mot dess minimivärde.

En sak som ofta förvirrar människor är skillnaden mellan isotermisk och mot adiabatisk, men att dela ordet i dess två delar kan hjälpa dig att komma ihåg detta. "Iso" betyder lika och "termisk" avser någons värme (dvs. dess temperatur), så "isotermisk" betyder bokstavligen "vid samma temperatur." Adiabatiska processer involverar inte värme överföring
, men temperaturen i systemet förändras ofta under dem.
Isotermiska processer och den första lagen för termodynamik

Den första lagen för termodynamik säger att förändringen i den inre energin ( ∆U
) för en systemet är lika med värmen som läggs till systemet ( Q
) minus det arbete som utförts av systemet ( W
) eller i symboler:
∆U \u003d Q - W

När du arbetar med en isotermisk process kan du använda det faktum att intern energi är direkt proportionell mot temperaturen vid sidan av denna lag för att dra en användbar slutsats. Den ideala gasens inre energi är:
U \u003d \\ frac {3} {2} nRT

Detta innebär att du för en konstant temperatur har en konstant intern energi. Så med ∆U
\u003d 0 kan den första lagen för termodynamik enkelt ordnas till:
Q \u003d W

Eller, med ord, värmen som tillförs systemet är lika med arbete som utförts av systemet, vilket innebär att värmen som tillsätts används för att utföra arbetet. Till exempel, vid isotermisk expansion, läggs värme till systemet, vilket gör att det expanderar, arbetar med miljön utan att förlora intern energi. I en isotermisk kompression arbetar miljön på systemet och får systemet att förlora denna energi som värme.
Isotermiska processer i värmemotorer.

Värmemotorer använder en komplett cykel av termodynamiska processer för att konvertera värme energi till mekanisk energi, vanligtvis genom att flytta en kolv när gasen i värmemotorn expanderar. Isotermiska processer är en viktig del av denna cykel, där den tillförda värmeenergin omvandlas helt till arbete utan förlust.

Detta är emellertid en mycket idealiserad process, eftersom det i praktiken alltid kommer att gå förlorad energi värmeenergin omvandlas till arbete. För att det ska fungera i verkligheten måste det ta en oändlig tid så att systemet kan förbli i termisk jämvikt med dess omgivningar hela tiden.

Isotermiska processer anses vara reversibla processer, för om du " har slutfört en process (till exempel en isotermisk expansion) kan du köra samma process i omvänd (en isotermisk komprimering) och återställa systemet till sitt ursprungliga tillstånd. I huvudsak kan du köra samma process framåt eller bakåt i tid utan att bryta några fysiklagar.

Men om du försökte detta i verkliga livet, skulle den andra lagen om termodynamik innebära att entropin ökade under "framåt" -processen så att "bakåt" inte helt skulle återlämna systemet till sitt ursprungliga tillstånd.

Om du plottar en isotermisk process på ett PV-diagram är arbetet som utförts under processen lika till området under kurvan. Medan du kan beräkna det arbete som utförts isotermiskt på detta sätt, är det ofta lättare att bara använda den första termodynamiklagen och det faktum att arbetet är lika med värmen som läggs till systemet.
Andra uttryck för arbete gjort i Isotermisk Processer

Om du gör beräkningar för en isotermisk process, finns det ett par andra ekvationer du kan använda för att hitta det arbete som gjorts. Den första av dessa är:
W \u003d nRT \\ ln \\ bigg (\\ frac {V_f} {V_i} \\ bigg)

Där V
_{f är den slutliga volymen och V
i är den initiala volymen. Med den ideala gaslagen kan du ersätta det initiala trycket och volymen ( P
i och V
i) för nRT
i detta ekvation att få:
W \u003d P_iV_i \\ ln \\ bigg (\\ frac {V_f} {V_i} \\ bigg)}

Det kan i de flesta fall vara lättare att arbeta genom värmen som tillförts, men om du bara har information om trycket, volymen eller temperaturen, kan en av dessa ekvationer förenkla problemet. Eftersom arbete är en form av energi är dess enhet joule (J).
Andra termodynamiska processer

Det finns många andra termodynamiska processer, och många av dessa kan klassificeras på liknande sätt som isotermiska processer , förutom att andra mängder än temperaturen är konstant genomgående. En isobarisk process är en som sker vid ett konstant tryck, och på grund av detta är kraften som utövas på behållarens väggar konstant, och arbetet utförs av W
\u003d P∆V
.

För gas som genomgår isobarisk expansion måste det ske värmeöverföring för att hålla trycket konstant, och denna värme förändrar systemets inre energi såväl som att utföra arbete.

En isokorisk process sker med en konstant volym. Detta gör att du kan göra en förenkling i termodynamikens första lag, för om volymen är konstant kan systemet inte arbeta med miljön. Som ett resultat beror förändringen i systemets interna energi helt och hållet på den överförda värmen.

En adiabatisk process är en som sker utan värmeväxling mellan systemet och miljön. Detta betyder dock inte att det inte sker någon förändring av temperaturen i systemet, eftersom processen kan leda till en ökning eller en sänkning av temperaturen utan direkt värmeöverföring. Men utan värmeöverföring visar den första lagen att alla förändringar i den inre energin måste bero på arbete som utförts på systemet eller av systemet, eftersom det ställer Q
\u003d 0 i ekvationen.