Articulu Prucessi termodinamichi: Isotermicu Adiabaticu Isocoricu Isobaricu
Ci sò quattru prucessi termodinamichi, vale à dì i prucessi isotermichi, isochorichi, isobarichi è adiabatichi.
Prucessu Isotermicu (temperatura costante)
In un prucessu isotermicu, a temperatura di u sistema hè mantenuta custante. Teoricamente, u sistema analizatu hè un gas ideale. A temperatura di u gas ideale hè direttamente proporzionale à l'energia interna ideale di u gas (U = 3/2 n RT). T ùn cambia micca, dunque ancu U ùn cambia micca. Cusì, se applicata à u prucessu isotermicu, a prima lege di l'equazione termodinamica diventa:
Δ U = Q – W
L'energia interna ùn cambia micca, dunque Δ U = 0.
0 = Q – W
Q = W
Basatu annantu à sta equazione, in u prucessu isotermicu (temperatura custante), u calore (Q) aghjuntu à u sistema hè adupratu da u sistema per fà travagliu (W).
A variazione di pressione è di vulume di u sistema in u prucessu isotermicu hè illustrata da u graficu quì sottu:
Primu vulume di u sistema = V1 (picculu vulume) è pressione di u sistema = P1 (grande pressione). Per chì a temperatura di u sistema sia custante, dopu chì u calore hè aghjuntu à u sistema, u sistema si espande è face u travagliu nantu à l'ambiente. Dopu chì u sistema face u travagliu nantu à l'ambiente, u vulume di u sistema cambia à V2 (u vulume di u sistema aumenta) è a pressione di u sistema cambia à P2 (diminuzione di a pressione di u sistema). A forma di u graficu hè curva perchè a pressione di u sistema ùn cambia micca regularmente durante u prucessu. Quantità di travagliu fattu da u sistema = zona ombreggiata.
Prucessu adiabaticu
In u prucessu adiabaticu, nisun calore hè aghjuntu à u sistema o abbanduneghja u sistema (Q = 0). I prucessi adiabatici ponu accade in sistemi chjusi ben isolati. Per un sistema chjusu ben isolatu, di solitu ùn ci hè micca calore chì scorri in u sistema o abbanduneghja u sistema. I prucessi adiabatici ponu ancu accade in sistemi chjusi chì ùn sò micca isolati.
In questu casu, u prucessu deve esse fattu rapidamente in modu chì u calore ùn scorri micca versu u sistema o ùn abbanduneghja micca u sistema. S'ella hè applicata à un prucessu adiabaticu, a prima lege di l'equazione termodinamica cambierà:
Δ U = Q – W
Nisun calore hè in entrata o in uscita da u sistema, dunque Q = 0.
Δ U = 0 – W
Δ U = -W
Sè u sistema hè pressatu rapidamente (u travagliu hè fattu nantu à u sistema), tandu u travagliu hè negativu. Siccomu W hè negativu, tandu U hè pusitivu (l'energia in u sistema aumenta). À u cuntrariu, sè u sistema si espande rapidamente (u sistema face u travagliu), tandu W hè pusitivu. Siccomu W hè pusitivu, U hè negativu (l'energia in u sistema hè ridutta). L'energia in u sistema (gas ideale) hè proporzionale à a temperatura (U = 3/2 n RT), dunque sè l'energia in u sistema aumenta tandu a temperatura di u sistema aumenta ancu. À u cuntrariu, sè l'energia in u sistema hè ridutta, tandu a temperatura di u sistema diminuisce.
A variazione di a pressione è di u vulume di u sistema in u prucessu adiabaticu hè illustrata da u graficu quì sottu:
A curva adiabatica in questu graficu (curve 1-2) hè più ripida chè a curva isotermica (curve 1-3). Questa differenza di ripidità mostra chì per u listessu aumentu di vulume, a pressione di u sistema hè ridutta di più in u prucessu adiabaticu chè in u prucessu isotermicu. A pressione di u sistema diminuisce di più in u prucessu adiabaticu perchè quandu si verifica l'espansione adiabatica, a temperatura di u sistema diminuisce ancu ella. A temperatura hè proporzionale à a pressione, dunque se a temperatura di u sistema diminuisce, a pressione di u sistema diminuisce ancu ella. À u cuntrariu di u prucessu isotermicu, a temperatura di u sistema hè sempre costante. Cusì, in u prucessu isotermicu, a temperatura ùn influenza micca a caduta di pressione.
Un esempiu di prucessu adiabaticu si verifica in un mutore à combustione interna, cum'è un mutore diesel è un mutore à benzina. In i mutori diesel, l'aria hè inserita in u cilindru, è l'aria in u cilindru hè pressata rapidamente aduprendu un pistone (u travagliu hè fattu nantu à l'aria). U prucessu di cumpressione adiabatica (riduzione di u vulume di u sistema) hè illustratu da a curva 2-1. Per via di a rapida pressione adiabatica, a temperatura aumenta rapidamente. À u listessu tempu, u diesel hè spruzzatu in u cilindru attraversu l'iniettore, è a mistura hè attivata istantaneamente. In un mutore à benzina, una mistura d'aria è benzina hè inserita in u cilindru è poi pressata rapidamente aduprendu un pistone. Perchè hè spinta rapidamente adiabaticamente, a temperatura aumenta rapidamente. À u listessu tempu, e candele si accendenu in modu chì u prucessu di combustione si verifichi.
Prucessu Isocoricu (volume custante)
In u prucessu isocoru, u vulume di u sistema hè mantinutu custante. Siccomu u vulume di u sistema hè sempre custante, u sistema ùn pò micca travaglià nantu à l'ambiente. L'ambiente ùn pò ancu fà travagliu nantu à u sistema. S'ella hè applicata à u prucessu isocoru, a prima lege di l'equazione termodinamica si trasforma in:
Δ U = Q – W
U sistema ùn funziona micca nant'à l'ambiente, dunque W = 0
Δ U = Q – 0
Δ U = Q
Da questu risultatu, pudemu cunclude chì in u prucessu isocoru (volume custante), u calore (Q) aghjuntu à u sistema hè adupratu per aumentà l'energia in u sistema. I cambiamenti in a pressione è u vulume di u sistema in u prucessu isocoru sò illustrati da u graficu quì sottu:
À l'iniziu, a pressione di u sistema = p1 ( pressione bassa). U calore supplementu di u sistema face chì l'energia in u sistema aumenti. Quandu l'energia in u sistema aumenta, a temperatura di u sistema (gas ideale) aumenta (U = 3/2 n RT). A temperatura hè direttamente proporzionale à a pressione. Dunque, se a temperatura di u sistema aumenta, allora a pressione di u sistema aumenta (p2 ) . A causa di u vulume custante di u sistema, ùn ci hè micca travagliu fattu (nisuna zona ombreggiata).
In u prucessu isocoru, u sistema ùn pò micca fà travagliu nant'à l'ambiente. In listessu modu, l'ambiente ùn pò micca fà travagliu nant'à u sistema. Questu hè perchè, in un prucessu isocoru, u vulume di u sistema hè sempre custante. Ci sò certi tipi di travagliu chì ùn implicanu micca cambiamenti di vulume. Dunque, ancu s'è u vulume di u sistema ùn cambia micca, u travagliu pò sempre esse fattu nant'à u sistema. Per esempiu, ci hè un ventilatore + batteria in un cuntainer chjusu. U ventilatore pò girà aduprendu l'energia di a batteria. In questu casu, i ventilatori, e batterie è l'aria in u cuntainer sò cunsiderati cum'è sistemi.
Quandu u ventilatore gira, u ventilatore face u travagliu, essendu presente in u cuntinente. À u listessu tempu, l'energia cinetica di u ventilatore si trasforma in energia in l'aria. L'energia elettrica in a batteria, benintesa, hè ridutta perchè hà cambiatu forma in energia in l'aria. Questu esempiu mostra chì in u prucessu isocoricu (u vulume hè sempre custante), u travagliu pò ancu esse fattu nantu à u sistema (u travagliu chì ùn implica micca cambiamenti di vulume).
Prucessu Isobaricu (pressione custante)
In un prucessu isobaricu, a pressione di u sistema hè mantenuta custante. Siccomu a pressione hè custante, u cambiamentu di energia interna ( Δ U), u calore (Q) è u travagliu (W) in u prucessu isobaricu ùn sò micca zeru. Cusì, a formula di a prima lege di a termodinamica ùn hè micca cambiata.
ΔU = Q − W
I cambiamenti di pressione è di vulume di gas in u prucessu isobaricu sò illustrati da u graficu quì sottu:
Prima, u vulume di u sistema = V1 (picculu vulume). Siccomu a pressione hè mantenuta custante, dopu chì u calore hè aghjuntu à u sistema, u sistema si espande è face un travagliu nantu à l'ambiente. Dopu avè travagliatu nantu à l'ambiente, u vulume di u sistema cambia à V2 (aumentu di u vulume di u sistema). Quantità di travagliu (W) fattu da u sistema = zona ombreggiata.
Dumanda 1:
E curve 1-2 in i dui diagrammi sottu mostranu l'espansione di u gasu (aumentu di u vulume di u gasu) chì si faci adiabaticamente è isotermicamente. In quale prucessu, u travagliu realizatu da u gasu hè più chjucu ?
U travagliu realizatu da i gasi in u prucessu adiabaticu hè menu di u travagliu realizatu da i gasi in u prucessu isotermicu. Zona ombreggiata = travagliu realizatu da u gasu durante u prucessu di espansione (aumentu di u vulume di gasu). A zona ombreggiata in u prucessu adiabaticu hè menu di a zona ombreggiata di u prucessu isotermicu.
Dumanda 2:
I prucessi termodinamichi sò mostrati in u diagrama quì sottu. Curve ab è dc = prucessi isocorichi (volume custante). Curve bc è ad = prucessu isobaricu (pressione custante). In u prucessu ab, si aghjusta calore (Q) 600 Joule à u sistema. In u prucessu bc, si aghjusta calore (Q) 800 Joule à u sistema.
a) Cambiamenti d'energia in u prucessu ab
b) Cambiamenti d'energia in u prucessu abc
c) Calore tutale aghjuntu à u prucessu ADC
P² = 2 x 10⁻⁵ Pa = 2 x 10⁻⁵ N / m²
P² = 4 x 10⁻⁵ Pa = 4 x 10⁻⁵ N / m²
V 1 = 2 litri = 2 dm 3 = 2 x 10 -3 m 3
V₂ = 4 litri = 2 dm³ = 4 x 10⁻³ m³
Vergogna à tè
a) Cambiamenti di l'energia interna in u prucessu ab
In u prucessu ab, 600 J di calore sò aghjunti à u sistema. Prucessu ab = prucessu isocoru (volume custante). In u prucessu isocoru, l'aghjunta di calore in u sistema aumenta solu l'energia in u sistema. Cusì, l'energia cambia in u sistema dopu avè ricevutu calore:
ΔU = Q
ΔU = 600 J
b) Cambiamenti d'energia in u prucessu abc
Prucessu ab = prucessu isocoricu (volume custante). In u prucessu ab, 600 J di calore sò aghjunti à u sistema. A causa di u vulume custante, ùn ci hè micca travagliu fattu da u sistema.
Prucessu bc = prucessu isobaricu (pressione custante). In u prucessu bc, u calore (Q) 800 Joules hè aghjuntu à u sistema. In u prucessu isobaricu, u sistema pò fà travagliu. A quantità di travagliu fattu da u sistema in u prucessu bc (prucessu isobaricu) hè:
W = P (V 2 – V 1 ) — pressione costante
W = P2 ( V2 – V1 )
W = 4 x 10⁵ N / m² ( 4 x 10⁻³ m³ – 2 x 10⁻³ m³ )
W = 4 x 10⁵ N / m² ( 2 x 10⁻³ m³ )
W = 8 x 10⁵ Joule
W = 800 Joule
U calore tutale aghjuntu à u sistema in u prucessu abc hè:
Q tutale = Q ab + Q bc
Q tutale = 600 J + 800 J
Q tutale = 1400 Joule
U travagliu tutale realizatu da u sistema in u prucessu abc hè:
W tutale = W ab + W bc
W tutale = 0 + W bc
W tutale = 0 + 800 Joule
W tutale = 800 Joule
Cambiamenti di energia interna in u prucessu abc = 600 J
c) Calore tutale aghjuntu à u prucessu ADC
U calore tutale aghjuntu à u sistema pò esse calculatu da l'equazione quì sottu:
ΔU = Q – W
Q = ΔU + W
Calore tutale aghjuntu à u prucessu adc = cambiamenti di energia interna in adc + travagliu in u prucessu adc.
U calore è u travagliu sò implicati in u trasferimentu d'energia trà i sistemi è l'ambiente, mentre chì i cambiamenti d'energia interna sò u risultatu di u trasferimentu d'energia trà u sistema è l'ambiente. Dunque, un cambiamentu d'energia ùn dipende micca da u prucessu di trasferimentu d'energia. D’altronde, u calore è u travagliu dipendenu da u prucessu. In u prucessu isocoru (sistema à vulume custante), u trasferimentu d'energia hè solu in forma di calore, mentre chì u travagliu ùn l'hè micca. In u prucessu isobaricu (pressione custante), u trasferimentu d'energia implica calore è travagliu. Ancu s'ellu ùn dipende micca da u prucessu, l'energia cambia secondu u statu iniziale è u statu di u sistema finale. Sè i stati iniziale è finale sò listessi, i cambiamenti d'energia sò sempre listessi, ancu s'è u prucessu hè diversu.
Stati iniziali è finali per u prucessu abc in u graficu sopra = stati iniziali è finali di u prucessu adc. Cusì, l'energia interna cambia in u prucessu di adc = 600 J.
Travagliu tutale (W) realizatu annantu à adc = W prucessu annantu à ad + W annantu à u prucessu dc.
U prucessu ad hè un prucessu isobaricu (pressione custante), mentre chì u prucessu dc hè un prucessu isocoricu (volume custante). A causa di u vulume custante, ùn ci hè micca travagliu fattu nantu à u prucessu dc. Prima, calculemu u travagliu fattu nantu à u prucessu ad.
W ad = P (V 2 ‐ V 1 )
W ad = P 1 (V 2 ‐ V 1 )
W ad = 2 x 10⁵ N / m² ( 4 x 10⁻³ m³ - 2 x 10⁻³ m³ )
W ad = 2 x 10⁵ N / m² ( 2 x 10⁻³ m³ )
W ad = 4 x 10² Joule
W ad = 400 Joule
W tutale = W in u prucessu a-d + W in u prucessu d-c
W tutale = 400 Joule + 0
W tutale = 400 Joule
Cusì, a quantità di calore aghjunta à u prucessu ADC hè:
Q = ΔU + W
Q = 600 J + 400 J
Q = 1000 J
Dumanda 3:
1 litru d'acqua si trasforma in 1671 litri di vapore quandu hè bollita à 1 atm di pressione. Calcula u cambiamentu di l'energia interna è u travagliu fattu da l'acqua quandu evapora... (Calore di vaporizazione per l'acqua = L V = 22.6 x 10 5 J/Kg)
Vergogna à tè
Densità di l'acqua = 1000 kg/ m³
Calore di vaporizazione per l'acqua (L V ) = 22.6 x 10 5 J / Kg
P = 1 atm = 1.013 x 10⁵ Pa = 1.013 x 10⁵ N/ m²
V 1 = 1 litru = 1 dm 3 = 1 x 10 -3 m 3 (Volume d'acqua)
V 2 = 1671 litri = 1671 dm 3 = 1671 x 10 -3 m 3 (Volume di vapore)
a) Cambiamenti di l'energia interna
Cambiamenti in l'energia interna = Calore aghjuntu à l'acqua menu u travagliu fattu da l'acqua quandu hè evaporata. Primu contu Calore (Q) aghjuntu à l'acqua...
Q = m L V
Densità di l'acqua = massa d'acqua / vulume d'acqua
Massa d'acqua (m) = densità di l'acqua x vulume d'acqua
Massa d'acqua (m) = (1000 kg/m³ ) ( 1 x 10⁻³ m³ )
Massa d'acqua (m) = (1000 kg/m³ ) (0.001 m³ )
Massa d'acqua (m) = 1 kg
Q = (1 kg) (22.6 x 10 5 J / kg)
Q = 22.6 x 10⁵ J
Calcula u travagliu (W) fattu da l'acqua quandu hè evaporata. L'ebullizione di l'acqua si faci à pressione custante (prucessu isobaricu).
W = p ( V2 – V1 )
W = 1.013 x 10⁵ N /m² ( 1671 x 10⁻³ m³ – 1 x 10⁻³ m³ )
W = 1.013 x 10⁵ N / m² ( 1670 x 10⁻³ m³ )
W = 1691.71 x 10 2 Joule
W = 1.7 x 10⁵ Joule
Cambiamenti in l'energia interna di l'acqua:
ΔU = Q – W
ΔU = 22.6 x 10 5 J – 1.7 x 10 5 J
ΔU = 20.9 x 10⁵ J
ΔU = 21 x 10⁵ J
U calore di 21 x 10 5 Joule aghjuntu à l'acqua hè adupratu per aumentà l'energia interna (superendu e forze di trazione trà e molecule chì mantenenu l'acqua fluida). In altre parole, 21 x 10 5 J hè adupratu per cunvertisce l'acqua in vapore. Quandu l'acqua hè diventata vapore, i restanti 1.7 x 105 J sò aduprati per fà u travagliu.
Dumanda 4:
1 mole di gas in un cilindru si espande rapidamente adiabaticamente. À u principiu, a temperatura di u gas = 1000 K. Dopu l'espansione, a temperatura di u gas diminuisce à 500 K. Determinate u travagliu fattu da u gas...
Vergogna à tè
L'espansione di u gasu si faci adiabaticamente. In u prucessu adiabaticu, nisun calore entra o esce da u sistema. Cusì, u travagliu realizatu in u gasu = i cambiamenti d'energia in u gasu.
ΔU = Q – W o W = Q – Δ U → Q = 0
W = 0 – ΔU
W = – ΔU
Pudemu calculà i cambiamenti d'energia in u gasu aduprendu l'equazione energetica in u gasu ideale:
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
Cusì, a quantità di travagliu realizatu da u gasu hè:
W = – ΔU
W = – (- 6236.25 J)
W = 6236.25 J
