Artikulo Mga prosesong Termodinamika: Isothermal Adiabatic Isochoric Isobaric
Adunay upat ka proseso sa thermodynamic, nga mao ang Isothermal, isochoric, isobaric ug adiabatic.
Proseso sa Isothermal (kanunay nga temperatura)
Sa usa ka prosesong isothermal, ang temperatura sa sistema gipadayon nga makanunayon. Sa teyorya, ang gisusi nga sistema usa ka ideal nga gas. Ang temperatura sa ideal nga gas direktang proporsyonal sa ideal nga internal nga enerhiya sa gas (U = 3/2 n RT). Ang T dili mausab, busa ang U dili usab mausab. Busa, kon ipadapat sa prosesong isothermal, ang unang balaod sa thermodynamic equation mahimong:
Δ U = Q – W
Ang internal nga enerhiya dili mausab, busa ΔU = 0.
0 = Q – W
Q = W
Base niining equation, sa isothermal process (kanunay nga temperatura), ang kainit (Q) nga gidugang sa sistema gigamit sa sistema aron paghimo og trabaho (W).
Ang pagbag-o sa presyur ug gidaghanon sa sistema sa prosesong isothermal gipakita sa graph sa ubos:
Unang gidaghanon sa sistema = V1 (gamay nga volume) ug presyur sa sistema = P1 (dakong presyur). Aron ang temperatura sa sistema magpabilin nga makanunayon, human sa pagdugang sa kainit sa sistema, ang sistema molapad ug motrabaho sa palibot. Human ang sistema motrabaho sa palibot, ang gidaghanon sa sistema mausab ngadto sa V2 (mosaka ang gidaghanon sa sistema) ug mausab ang presyur sa sistema ngadto sa P2 (pagkunhod sa presyur sa sistema). Ang porma sa graph kurbado tungod kay ang presyur sa sistema dili kanunay nga mausab atol sa proseso. Gidaghanon sa trabaho nga nahimo sa sistema = gilandongan nga lugar.
Proseso sa Adiabatic
Sa prosesong adiabatic, walay kainit nga idugang sa sistema o mogawas sa sistema (Q = 0). Ang mga prosesong adiabatic mahimong mahitabo sa maayo nga pagkahimulag ug sirado nga mga sistema. Alang sa usa ka maayo nga pagka-insulate nga sirado nga sistema, kasagaran walay kainit nga moagos ngadto sa sistema o mogawas sa sistema. Ang mga prosesong adiabatic mahimo usab nga mahitabo sa sirado nga mga sistema nga wala nahimulag.
Sa kini nga kaso, ang proseso kinahanglan nga buhaton dayon aron ang kainit dili moagos ngadto sa sistema o mobiya sa sistema. Kung ipadapat sa usa ka prosesong adiabatic, ang unang balaod nga Thermodynamic equation mausab:
Δ U = Q – W
Walay kainit nga mosulod o mogawas sa sistema, busa ang Q = 0.
ΔU = 0 – W
Δ U = -W
Kon ang sistema dali nga mapugos (ang trabaho nahimo sa sistema), nan ang trabaho negatibo. Tungod kay ang W negatibo, nan ang U positibo (ang enerhiya sa sistema motaas). Sa laing bahin, kon ang sistema dali nga molapad (ang sistema molihok), nan ang W positibo. Tungod kay ang W positibo, ang U negatibo (ang enerhiya sa sistema mokunhod). Ang enerhiya sa sistema (ideal gas) proporsyonal sa temperatura (U = 3/2 n RT), busa kon ang enerhiya sa sistema motaas nan ang temperatura sa sistema motaas usab. Sa laing bahin, kon ang enerhiya sa sistema mokunhod, nan ang temperatura sa sistema mokunhod.
Ang pagbag-o sa presyur ug volume sa sistema sa prosesong adiabatic gipakita sa graph sa ubos:
Ang adiabatic curve niini nga graph (mga kurba 1-2) mas titip kay sa isothermal curve (mga kurba 1-3). Kini nga kalainan sa titip nagpakita nga sa parehas nga pagtaas sa volume, ang presyur sa sistema mas mikunhod sa proseso sa adiabatic kaysa sa proseso sa isothermal. Ang presyur sa sistema mas mikunhod sa proseso sa adiabatic tungod kay kung mahitabo ang adiabatic expansion, ang temperatura sa sistema mikunhod usab. Ang temperatura proporsyonal sa presyur, busa kung ang temperatura sa sistema moubos, ang presyur sa sistema moubos usab. Sukwahi sa proseso sa isothermal, ang temperatura sa sistema kanunay nga makanunayon. Busa, sa proseso sa isothermal, ang temperatura wala makaimpluwensya sa pagkunhod sa presyur.
Usa ka ehemplo sa proseso sa adiabatic ang mahitabo sa internal combustion engine, sama sa diesel engine ug gasoline engine. Sa mga diesel engine, ang hangin gisulod sa silindro, ug ang hangin sa sulod sa silindro gipugos dayon gamit ang piston (ang trabaho gihimo sa hangin). Ang proseso sa adiabatic compression (pagkunhod sa volume sa sistema) gipakita sa kurba 2-1. Tungod sa paspas nga adiabatic pressure, ang temperatura motaas dayon. Sa samang higayon, ang diesel gi-spray sa silindro pinaagi sa injector, ug ang sagol diha-diha dayon ma-trigger. Sa gasoline engine, ang sagol nga hangin ug gasolina gisulod sa silindro ug dayon gipugos dayon gamit ang piston. Tungod kay kini paspas nga giduso sa adiabatic, ang temperatura motaas dayon. Sa samang higayon, ang mga spark plug mosiga aron mahitabo ang proseso sa pagsunog.
Proseso sa Isochoric (kanunay nga gidaghanon)
Sa prosesong Isochoric, ang gidaghanon sa sistema gipadayon nga makanunayon. Tungod kay ang gidaghanon sa sistema kanunay nga makanunayon, ang sistema dili makatrabaho sa palibot. Ang palibot dili usab makahimo og trabaho sa sistema. Kung ipadapat sa prosesong isochoric, ang unang balaod sa thermodynamic equation mausab ngadto sa:
Δ U = Q – W
Ang sistema dili mogana sa palibot, busa W = 0
ΔU = Q – 0
ΔU = Q
Gikan niini nga resulta, makahinapos kita nga sa prosesong isochoric (kanunay nga gidaghanon), ang kainit (Q) nga gidugang sa sistema gigamit aron madugangan ang enerhiya sa sistema. Ang mga pagbag-o sa presyur ug gidaghanon sa sistema sa prosesong isochoric gipakita sa graph sa ubos:
Sa sinugdanan, ang presyur sa sistema = p 1 (gamay nga presyur). Ang dugang nga kainit sa sistema hinungdan sa pagtaas sa enerhiya sa sistema. Samtang motaas ang enerhiya sa sistema, ang temperatura sa sistema (ideal gas) motaas (U = 3/2 n RT). Ang temperatura direktang proporsyonal sa presyur. Busa, kung motaas ang temperatura sa sistema, motaas usab ang presyur sa sistema (p 2 ). Tungod sa kanunay nga gidaghanon sa sistema, walay trabaho nga nahimo (walay lugar nga gilandongan).
Sa prosesong isochoric, ang sistema dili makahimo og trabaho sa palibot. Ingon man usab, ang palibot dili makahimo og trabaho sa sistema. Kini tungod kay, sa usa ka prosesong isochoric, ang gidaghanon sa sistema kanunay nga makanunayon. Adunay pipila ka mga matang sa trabaho nga wala maglakip sa mga pagbag-o sa gidaghanon. Busa bisan kung ang gidaghanon sa sistema dili mausab, ang trabaho mahimo gihapon sa sistema. Pananglitan, adunay usa ka bentilador + baterya sa usa ka sirado nga sudlanan. Ang bentilador mahimong motuyok gamit ang enerhiya sa baterya. Sa kini nga kaso, ang mga bentilador, baterya, ug hangin sa sulod sa sudlanan giisip nga mga sistema.
Kon motuyok ang bentilador, mogana gihapon ang bentilador, nga anaa sa sudlanan. Sa samang higayon, ang kinetic energy sa bentilador mahimong enerhiya sa hangin. Siyempre, ang enerhiya sa kuryente sa baterya mokunhod tungod kay kini nausab ang porma ngadto sa enerhiya sa hangin. Kini nga pananglitan nagpakita nga sa proseso sa isochoric (kanunay nga makanunayon ang volume), ang trabaho mahimo gihapon sa sistema (trabaho nga wala maglakip sa mga pagbag-o sa volume).
Proseso sa Isobaric (kanunay nga presyur)
Sa usa ka prosesong isobaric, ang presyur sa sistema gipadayon nga makanunayon. Tungod kay ang presyur makanunayon, ang pagbag-o sa internal nga enerhiya ( ΔU ), kainit (Q) ug trabaho (W) sa prosesong isobaric dili sero. Busa, ang pormula sa thermodynamics sa unang balaod wala mausab.
ΔU = Q − W
Ang mga pagbag-o sa presyur ug gidaghanon sa gas sa prosesong isobaric gipakita sa graph sa ubos:
Una, ang gidaghanon sa sistema = V1 (gamay nga volume). Tungod kay ang pressure gipadayon nga makanunayon, busa human sa pagdugang sa kainit sa sistema, ang sistema molapad ug motrabaho sa palibot. Human sa pagtrabaho sa palibot, ang volume sa sistema mausab ngadto sa V2 (pagtaas sa gidaghanon sa sistema). Gidaghanon sa trabaho (W) nga nahimo sa sistema = gilandongan nga lugar.
Pangutana 1:
Ang mga kurba 1-2 sa duha ka dayagram sa ubos nagpakita sa pagpalapad sa gas (pagtaas sa gidaghanon sa gas) nga mahitabo sa adiabatically ug isothermally. Sa unsang proseso, ang trabaho nga gihimo sa gas mas gamay?
Ang trabaho nga gihimo sa mga gas sa prosesong adiabatic mas gamay kay sa trabaho sa mga gas sa prosesong isothermal. Ang gilandongan nga lugar = trabaho nga gihimo sa gas atol sa proseso sa pagpalapad (pagtaas sa gidaghanon sa gas). Ang gilandongan nga lugar sa prosesong adiabatic mas gamay kay sa gilandongan nga lugar sa prosesong isothermal.
Pangutana 2:
Ang mga prosesong termodinamika gipakita sa dayagram sa ubos. Ang mga kurba nga ab ug dc = mga prosesong isochoric (kanunay nga gidaghanon). Ang kurba nga bc ug ad = prosesong isobaric (kanunay nga presyur). Sa prosesong ab, ang kainit (Q) 600 Joules gidugang sa sistema. Sa prosesong bc, ang kainit (Q) 800 Joules gidugang sa sistema.
a) Mga pagbag-o sa enerhiya sa proseso sa ab
b) Mga pagbag-o sa enerhiya sa proseso sa abc
c) Kinatibuk-ang kainit nga gidugang sa proseso sa ADC
P1 = 2 x 105 Pa = 2 x 105 N / m2
P2 = 4 x 105 Pa = 4 x 105 N / m2
V 1 = 2 ka litro = 2 dm 3 = 2 x 10 -3 m 3
V 2 = 4 ka litro = 2 dm 3 = 4 x 10 -3 m 3
solusyon
a) Mga pagbag-o sa internal nga enerhiya sa proseso sa ab
Sa prosesong ab, 600 J nga kainit ang gidugang sa sistema. Ang prosesong ab = prosesong isochoric (kanunay nga gidaghanon). Sa prosesong isochoric, ang pagdugang sa kainit sa sistema nagdugang lamang sa enerhiya sa sistema. Busa, ang enerhiya mausab sa sistema human makadawat og kainit:
ΔU = Q
ΔU = 600 J
b) Mga pagbag-o sa enerhiya sa proseso sa abc
Proseso nga ab = prosesong isochoric (kanunay nga volume). Sa prosesong ab, 600 J nga kainit ang gidugang sa sistema. Tungod sa kanunay nga volume, walay trabaho nga nahimo sa sistema.
Proseso bc = prosesong isobaric (kanunay nga presyur). Sa prosesong bc, ang kainit (Q) nga 800 Joules gidugang sa sistema. Sa prosesong isobaric, ang sistema makahimo og trabaho. Ang gidaghanon sa trabaho nga gihimo sa sistema sa prosesong bc (prosesong isobaric) mao ang:
W = P (V 2 – V 1 ) — kanunay nga presyur
W = P₂ ( V₂ – V₂ )
W = 4 x 10⁻5 N / m² ( 4 x 10⁻3 m³ – 2 x 10⁻3 m³ )
W = 4 x 10⁻5 N / m² ( 2 x 10⁻3 m² )
W = 8 x 102 Joule
W = 800 Joule
Ang kinatibuk-ang kainit nga gidugang sa sistema sa proseso sa abc mao ang:
Q total = Q ab + Q bc
Q nga kinatibuk-an = 600 J + 800 J
Q nga kinatibuk-an = 1400 Joules
Ang kinatibuk-ang trabaho nga gihimo sa sistema sa proseso sa abc mao ang:
W total = W ab + W bc
W total = 0 + W bc
W nga kinatibuk-an = 0 + 800 Joule
W nga kinatibuk-an = 800 Joule
Mga pagbag-o sa internal nga enerhiya sa proseso abc = 600 J
c) Kinatibuk-ang kainit nga gidugang sa proseso sa ADC
Ang kinatibuk-ang kainit nga gidugang sa sistema mahimong makalkulo gamit ang equation sa ubos:
ΔU = Q – W
Q = ΔU + W
Kinatibuk-ang kainit nga nadugang sa proseso adc = mga pagbag-o sa internal nga enerhiya sa adc + trabaho sa proseso adc.
Ang kainit ug trabaho nalambigit sa pagbalhin sa enerhiya tali sa mga sistema ug palibot, samtang ang mga pagbag-o sa internal nga enerhiya resulta sa pagbalhin sa enerhiya tali sa sistema ug palibot. Busa, ang pagbag-o sa enerhiya wala magdepende sa proseso sa pagbalhin sa enerhiya. Sa laing bahin, ang kainit ug trabaho nagdepende sa proseso. Sa prosesong isochoric (constant volume system), ang pagbalhin sa enerhiya anaa lamang sa porma sa kainit, samtang ang trabaho wala. Sa prosesong isobaric (constant pressure), ang pagbalhin sa enerhiya naglambigit sa kainit ug trabaho. Bisan kung wala magdepende sa proseso, ang enerhiya mausab depende sa inisyal nga estado ug estado sa katapusan nga sistema. Kung ang inisyal ug katapusan nga mga estado parehas, ang mga pagbag-o sa enerhiya kanunay nga parehas, bisan kung ang proseso lahi.
Ang inisyal ug katapusang mga estado para sa proseso sa abc sa graph sa ibabaw = inisyal ug katapusang mga estado sa proseso sa adc. Busa, ang mga pagbag-o sa inner energy sa proseso sa adc = 600 J.
Kinatibuk-ang (W) nga trabaho nga gihimo sa adc = W nga proseso sa ad + W sa dc nga proseso.
Ang proseso sa ad usa ka prosesong isobaric (kanunay nga presyur), samtang ang proseso sa dc usa ka prosesong isochoric (kanunay nga gidaghanon). Tungod sa kanunay nga gidaghanon, walay trabaho nga nahimo sa proseso sa dc. Una, atong gikalkulo ang trabaho nga nahimo sa proseso sa ad.
W ad = P (V 2 ‐ V 1 )
W ad = P 1 (V 2 ‐ V 1 )
W ad = 2 x 10⁻5 N /m² ( 4 x 10‐3 m² ‐ 2 x 10‐3 m² )
W ad = 2 x 10⁻5 N /m² ( 2 x 10‐3 m² )
W ad = 4 x 102 Joule
W ad = 400 Joule
W total = W sa proseso a-d + W sa proseso d-c
W nga kinatibuk-an = 400 Joules + 0
W nga kinatibuk-an = 400 Joule
Busa, ang gidaghanon sa kainit nga gidugang sa proseso sa ADC mao ang:
Q = ΔU + W
Q = 600 J + 400 J
Q = 1000 J
Pangutana 3:
Ang 1 litro nga tubig mahimong 1671 ka litro nga alisngaw kon pabukalan sa 1 atm nga presyur. Kwentaha ang pagbag-o sa internal nga enerhiya ug ang trabaho nga gihimo sa tubig kon moalisngaw … (Kainit sa pag-alisngaw para sa tubig = L V = 22.6 x 10 5 J/Kg)
solusyon
Densidad sa tubig = 1000 kg/ m3
Kainit sa pag-alisngaw sa tubig (L V ) = 22.6 x 105 J / Kg
P = 1 atm = 1.013 x 105 Pa = 1.013 x 105 N/ m2
V 1 = 1 litro = 1 dm 3 = 1 x 10 -3 m 3 (Gidaghanon sa tubig)
V 2 = 1671 ka litro = 1671 dm 3 = 1671 x 10 -3 m 3 (Gidaghanon sa alisngaw)
a) Mga pagbag-o sa internal nga enerhiya
Mga pagbag-o sa internal nga enerhiya = Kainit nga gidugang sa tubig kuhaan sa Trabaho nga gihimo sa tubig kung moalisngaw. Unang ihap Kainit (Q) nga gidugang sa tubig …
Q = m L V
Densidad sa tubig = masa sa tubig / gidaghanon sa tubig
Masa sa tubig (m) = densidad sa tubig x gidaghanon sa tubig
Masa sa tubig (m) = (1000 kg/m³ ) ( 1 x 10-3 m³ )
Masa sa tubig (m) = (1000 kg/m3 ) (0.001 m3 )
Masa sa tubig (m) = 1 kg
Q = (1 kg) (22.6 x 105 J / kg)
Q = 22.6 x 10 5 J
Kwentaha ang trabaho (W) nga gihimo sa tubig kon kini moalisngaw. Ang pagbukal sa tubig mahitabo sa kanunay nga presyur (isobaric nga proseso).
W = p ( V₂ – V₂ )
W = 1.013 x 105 N / m2 ( 1671 x 10-3 m3 – 1 x 10-3 m3 )
W = 1.013 x 10⁻5 N / m² ( 1670 x 10⁻3 m² )
W = 1691.71 x 102 Joule
W = 1.7 x 105 Joules
Mga pagbag-o sa internal nga enerhiya sa tubig:
ΔU = Q – W
ΔU = 22.6 x 10 5 J – 1.7 x 10 5 J
ΔU = 20.9 x 10 5 J
ΔU = 21 x 10 5 J
Ang kainit nga 21 x 10 5 Joule nga gidugang sa tubig gigamit aron madugangan ang internal nga enerhiya (pagbuntog sa mga pwersa sa tensile tali sa mga molekula nga nagpabiling pluwido sa tubig). Sa ato pa, ang 21 x 10 5 J gigamit aron mabag-o ang tubig ngadto sa alisngaw. Kung ang tubig mahimong alisngaw, ang nahabilin nga 1.7 x 10 5 J gigamit sa pagbuhat og trabaho.
Pangutana 4:
Ang 1 mole sa gas sa usa ka silindro kusog nga molapad nga adiabatic. Sa sinugdanan, ang temperatura sa gas = 1000 K. Human sa paglapad, ang temperatura sa gas mokunhod ngadto sa 500 K. Tinoa ang trabaho nga gihimo sa gas …
solusyon
Ang pagpalapad sa gas mahitabo nga adiabatic. Sa prosesong adiabatic, walay kainit nga mosulod o mogawas sa sistema. Busa, ang trabaho nga gihimo sa gas = enerhiya nga mausab sa gas.
ΔU = Q – W o W = Q – ΔU → Q = 0
W = 0 – ΔU
W = – ΔU
Mahimo natong kuwentahon ang mga pagbag-o sa enerhiya sa gas gamit ang equation sa enerhiya sa ideal nga gas:
ΔU = 3/2 (1 mol) (8.315 J / mol. K) (500 K – 1000 K)
ΔU = 3/2 (1 mol) (8.315 J / mol. K) (- 500 K)
ΔU = -6236.25 J
Busa, ang gidaghanon sa trabaho nga gihimo sa gas mao ang:
W = – ΔU
W = – (- 6236.25 J)
W = 6236.25 J
