KAS IR IZOTERMISKS PROCESS? (PIEMĒRI, VINGRINĀJUMI) - FIZISKĀ - 2025

Izotermiskie vai izotermisks process ir atgriezeniska termodinamisks process, kurā temperatūra paliek nemainīgs. Gāzē ir situācijas, kad izmaiņas sistēmā rada nevis temperatūras izmaiņas, bet gan fizikālās īpašības.

Šīs izmaiņas ir fāzes izmaiņas, kad viela mainās no cietas uz šķidrumu, no šķidruma uz gāzi vai otrādi. Šādos gadījumos vielas molekulas koriģē savu stāvokli, pievienojot vai iegūstot siltumenerģiju.

1. attēls. Izkusušās lāstekas ir izotermiska procesa piemērs. Avots: Pixabay.

Siltumenerģiju, kas nepieciešama fāzes maiņai vielā, sauc par latentu siltumu vai transformācijas siltumu.

Viens veids, kā padarīt procesu izotermisku, ir vielas, kas būs pētāmā sistēma, nonākšanu saskarē ar ārēju termisko rezervuāru, kas ir vēl viena sistēma ar lielu kaloriju jaudu. Tādā veidā notiek tik lēna siltuma apmaiņa, ka temperatūra paliek nemainīga.

Šāda veida process dabā notiek bieži. Piemēram, cilvēkiem, paaugstinoties vai pazeminoties ķermeņa temperatūrai, mēs jūtamies slimi, jo mūsu ķermenī daudzas ķīmiskas reakcijas, kas uztur dzīvību, notiek nemainīgā temperatūrā. Tas attiecas uz siltasiņu dzīvniekiem kopumā.

Citi piemēri ir ledus, kas kūst siltumā, kad pienāk pavasaris, un ledus gabaliņi, kas atdzesē dzērienu.

- Siltasiņu dzīvnieku metabolisms tiek veikts nemainīgā temperatūrā.

2. attēls. Siltasiņu dzīvniekiem ir mehānismi, lai uzturētu nemainīgu temperatūru. Avots: Wikimedia Commons.

- Kad ūdens vārās, notiek fāzu maiņa no šķidruma uz gāzi un temperatūra paliek nemainīga aptuveni 100 ° C, jo vērtību ietekmē citi faktori.

-Ledus kausēšana ir vēl viens izplatīts izotermisks process, tāpat kā ūdens ievietošana saldētavā, lai izveidotu ledus gabaliņus.

-Automobiļu motori, ledusskapji, kā arī daudzu citu veidu mašīna noteiktā temperatūras diapazonā darbojas pareizi. Lai uzturētu pareizu temperatūru, tiek izmantotas ierīces, ko sauc par termostatiem. Tā projektēšanā tiek izmantoti dažādi darbības principi.

Carnot cikls

Carnot motors ir ideāla mašīna, no kuras darbs tiek iegūts, pateicoties pilnīgi atgriezeniskiem procesiem. Tā ir ideāla mašīna, jo tajā netiek ņemti vērā procesi, kas izkliedē enerģiju, piemēram, darbu veicošās vielas viskozitāte vai berze.

Karnota cikls sastāv no četriem posmiem, no kuriem divi ir precīzi izotermiski, bet pārējie divi ir adiabātiski. Izotermiskās stadijas ir tādas gāzes saspiešana un izplešanās, kas ir atbildīga par noderīga darba ražošanu.

Automašīnas motors darbojas pēc līdzīgiem principiem. Virzuļa kustība cilindra iekšienē tiek pārnesta uz citām automašīnas daļām un rada kustību. Tam nav tādas ideālas sistēmas uzvedības kā Carnot motoram, taču termodinamiskie principi ir izplatīti.

Izotermiskā procesā paveiktā darba aprēķins

Lai aprēķinātu sistēmas veikto darbu, kad temperatūra ir nemainīga, mums jāizmanto pirmais termodinamikas likums, kas nosaka:

Tas ir vēl viens veids, kā izteikt enerģijas saglabāšanu sistēmā, kas tiek parādīta caur ΔU vai enerģijas izmaiņām, Q kā piegādātais siltums, un, visbeidzot, W, kas ir šīs sistēmas paveiktais darbs.

Pieņemsim, ka attiecīgā sistēma ir ideāla gāze, kas atrodas A apgabala kustīga virzuļa cilindrā, veicot darbu, kad tās tilpums V mainās no V ₁ uz V _2.

3. attēls. Izotermiskā procesā gāze izplešas virzulī, nemainot temperatūru. Avots: youtube.

Ideālais stāvokļa gāzes vienādojums ir PV = nRT, kas attiecas uz tilpumu ar spiedienu P un temperatūru T. N un R vērtības ir nemainīgas: n ir gāzes molu skaits un R ir gāzu konstante. Izotermiska procesa gadījumā PV produkts ir nemainīgs.

Padarīto darbu aprēķina, integrējot nelielu diferenciālo darbu, kurā spēks F rada nelielu pārvietojumu dx:

Tā kā Adx ir precīza tilpuma variācija dV, tad:

Lai iegūtu kopējo darbu izotermiskā procesā, mēs integrējam dW izteiksmi:

Spiediens P un tilpums V tiek uzzīmēti uz PV diagrammas, kā parādīts attēlā, un paveiktais darbs ir vienāds ar laukumu zem līknes:

4. attēls. Izotermiskā procesa PV diagramma. Avots: Wikimedia Commons.

Tā kā ΔU = 0, kopš temperatūra saglabājas nemainīga, izotermiskā procesā mums:

- 1. vingrinājums

Balonā, kas aprīkots ar kustīgu virzuli, ir ideāla gāze 127ºC temperatūrā. Ja virzulis virzās, lai samazinātu sākotnējo tilpumu 10 reizes, saglabājot nemainīgu temperatūru, atrodiet cilindrā esošā gāzes molu skaitu, ja darbs ar gāzi ir 38 180 J.

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

Risinājums

Paziņojumā teikts, ka temperatūra saglabājas nemainīga, tāpēc mēs esam izotermiska procesa klātbūtnē. Par darbu, kas veikts ar gāzi, mums ir iepriekš izsecināts vienādojums:

127 ºC = 127 + 273 K = 400 K

Atrisiniet n, molu skaitu:

n = W / RT ln (V2 / V1) = -38 180 J / 8.3 J / mol. K x 400 K x ln (V ₂ / 10V ₂ ) = 5 molu

Darba priekšā bija negatīva zīme. Uzmanīgs lasītājs iepriekšējā sadaļā būs pamanījis, ka W tika definēts kā “sistēmas veikts darbs” un tam ir + zīme. Tātad "darbs pie sistēmas" ir negatīva zīme.

- 2. vingrinājums

Jums ir gaiss cilindrā, kas aprīkots ar virzuli. Sākumā ir 0,4 m ³ gāzes pie 100 kPa spiediena un 80 ° C temperatūras. Gaiss tiek saspiests līdz 0,1 m ^3, nodrošinot, ka procesa laikā balona iekšējā temperatūra paliek nemainīga.

Nosakiet, cik daudz darba tiek veikts šī procesa laikā.

Risinājums

Mēs izmantojam vienādojumu iepriekš iegūtajam darbam, taču molu skaits nav zināms, un to var aprēķināt, izmantojot ideālo gāzes vienādojumu:

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

Atkal negatīvā zīme norāda, ka tika veikts darbs pie sistēmas, kas vienmēr notiek, saspiežot gāzi.

Atsauces

1. Bauers, W. 2011. Fizika inženierzinātnēm un zinātnēm. 1. sējums. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamika. 7 ^ma izdevums. Makgreiva kalns.
3. Figueroa, D. (2005). Sērija: Fizika zinātnei un inženierijai. 4. tilpums. Šķidrumi un termodinamika. Rediģēja Douglas Figueroa (USB).
4. Knight, R. 2017. Fizika zinātniekiem un inženierija: stratēģijas pieeja.
5. Servejs, R., Vulle, C. 2011. Fizikas pamati. 9 ^na Cengage mācīšanās.
6. Wikipedia. Izotermisks process. Atgūts no: en.wikipedia.org.