Erthygl Prosesau thermodynamig: Isothermol Adiabatig Isochorig Isobarig
Mae pedwar proses thermodynamig, sef prosesau isothermol, isochorig, isobarig ac adiabatig.
Proses Isothermol (tymheredd cyson)
Mewn proses isothermol, cedwir tymheredd y system yn gyson. Yn ddamcaniaethol, mae'r system a ddadansoddir yn nwy delfrydol. Mae tymheredd delfrydol y nwy yn gymesur yn uniongyrchol ag egni mewnol delfrydol y nwy (U = 3/2 n RT). Nid yw T yn newid, felly nid yw U chwaith yn newid. Felly, os caiff ei gymhwyso i'r broses isothermol, daw cyfraith gyntaf yr hafaliad thermodynamig fel a ganlyn:
ΔU = Q – W
Nid yw egni mewnol yn newid, felly Δ U = 0.
0 = Q – W
Q = W
Yn seiliedig ar yr hafaliad hwn, yn y broses isothermol (tymheredd cyson), mae gwres (Q) sy'n cael ei ychwanegu at y system yn cael ei ddefnyddio gan y system i gyflawni gwaith (W).
Mae'r graff isod yn dangos y newid mewn pwysau a chyfaint y system yn y broses isothermol:
Cyfaint system gyntaf = V1 (cyfaint bach) a phwysau system = P1 (pwysedd mawr). Er mwyn i dymheredd y system fod yn gyson, yna ar ôl ychwanegu gwres at y system, mae'r system yn ehangu ac yn gwneud gwaith ar yr amgylchedd. Ar ôl i'r system wneud gwaith ar yr amgylchedd, mae cyfaint y system yn newid i V2 (cyfaint y system yn cynyddu) a phwysau'r system yn newid i P2 (gostyngiad pwysau system). Mae siâp y graff yn grwm oherwydd nad yw pwysau system yn newid yn rheolaidd yn ystod y broses. Swm y gwaith a wneir yn y system = ardal gysgodol.
Proses Adiabatig
Yn y broses adiabatig, nid oes unrhyw wres yn cael ei ychwanegu at y system nac yn gadael y system (Q = 0). Gall prosesau adiabatig ddigwydd mewn systemau caeedig sydd wedi'u hynysu'n dda. Ar gyfer system gaeedig sydd wedi'i hinswleiddio'n dda, fel arfer nid oes unrhyw wres yn llifo i mewn i'r system nac yn gadael y system. Gall prosesau adiabatig hefyd ddigwydd mewn systemau caeedig nad ydynt wedi'u hynysu.
Yn yr achos hwn, rhaid gwneud y broses yn gyflym fel nad yw gwres yn llifo i'r system nac yn gadael y system. Os caiff ei gymhwyso i broses adiabatig, bydd hafaliad thermodynamig y gyfraith gyntaf yn newid:
ΔU = Q – W
Nid oes unrhyw wres i mewn nac allan o'r system, felly Q = 0.
Δ U = 0 – W
Δ U = -W
Os yw'r system yn cael ei phwyso'n gyflym (mae gwaith yn cael ei wneud ar y system), yna mae'r gwaith yn negatif. Gan fod W yn negatif, yna mae U yn bositif (mae egni yn y system yn cynyddu). I'r gwrthwyneb, os yw'r system yn ehangu'n gyflym (mae system yn gwneud gwaith), yna mae W yn bositif. Gan fod W yn bositif, mae U yn negatif (mae egni yn y system yn cael ei leihau). Mae'r egni yn y system (nwy delfrydol) yn gymesur â'r tymheredd (U = 3/2 n RT), felly os yw'r egni yn y system yn cynyddu yna mae tymheredd y system hefyd yn cynyddu. I'r gwrthwyneb, os yw'r egni yn y system yn cael ei leihau, yna mae tymheredd y system yn gostwng.
Mae'r graff isod yn dangos y newid ym mhwysedd a chyfaint y system yn y broses adiabatig:
Mae'r gromlin adiabatig yn y graff hwn (cromliniau 1-2) yn fwy serth na'r gromlin isothermol (cromliniau 1-3). Mae'r gwahaniaeth serthrwydd hwn yn dangos, ar gyfer yr un cynnydd cyfaint, bod pwysau'r system yn cael ei leihau'n fwy yn y broses adiabatig nag yn y broses isothermol. Mae pwysau'r system yn lleihau'n fwy yn y broses adiabatig oherwydd pan fydd ehangu adiabatig yn digwydd, mae tymheredd y system hefyd yn lleihau. Mae'r tymheredd yn gymesur â'r pwysau, felly os yw tymheredd y system yn gostwng, mae pwysau'r system hefyd yn lleihau. Mewn cyferbyniad â'r broses isothermol, mae tymheredd y system bob amser yn gyson. Felly, yn y broses isothermol, nid yw'r tymheredd yn dylanwadu ar y gostyngiad pwysau.
Mae un enghraifft o broses adiabatig yn digwydd mewn injan hylosgi mewnol, fel injan diesel ac injan gasoline. Mewn peiriannau diesel, mae aer yn cael ei fewnosod i'r silindr, ac mae'r aer y tu mewn i'r silindr yn cael ei wasgu'n gyflym gan ddefnyddio piston (mae gwaith yn cael ei wneud ar aer). Dangosir y broses gywasgu adiabatig (lleihau cyfaint y system) gan gromlin 2-1. Oherwydd pwysau adiabatig cyflym, mae'r tymheredd yn codi'n gyflym. Ar yr un pryd, mae diesel yn cael ei chwistrellu i'r silindr trwy'r chwistrellwr, ac mae'r cymysgedd yn cael ei sbarduno ar unwaith. Mewn injan gasoline, mae cymysgedd o aer a gasoline yn cael ei fewnosod i'r silindr ac yna'n cael ei wasgu'n gyflym gan ddefnyddio piston. Oherwydd ei fod yn cael ei wthio'n adiabatig yn gyflym, mae'r tymheredd yn codi'n gyflym. Ar yr un pryd, mae plygiau gwreichionen yn tanio fel bod y broses o losgi yn digwydd.
Proses Isochorig (cyfaint cyson)
Yn y broses Isochorig, cedwir cyfaint y system yn gyson. Gan fod cyfaint y system bob amser yn gyson, ni all y system weithio ar yr amgylchedd. Ni all yr amgylchedd wneud gwaith ar y system chwaith. Os caiff ei gymhwyso i'r broses isochorig, mae cyfraith gyntaf yr hafaliad thermodynamig yn newid i:
ΔU = Q – W
Nid yw'r system yn gweithio ar yr amgylchedd, felly W = 0
ΔU = Q – 0
ΔU = Q
O'r canlyniad hwn, gallwn ddod i'r casgliad, yn y broses isochorig (cyfaint cyson), bod gwres (Q) sy'n cael ei ychwanegu at y system yn cael ei ddefnyddio i gynyddu'r ynni yn y system. Mae newidiadau ym mhwysedd a chyfaint y system yn y broses isochorig wedi'u darlunio gan y graff isod:
Ar y dechrau, pwysedd y system = p 1 (pwysedd bach). Mae gwres ychwanegol y system yn achosi i'r egni yn y system gynyddu. Wrth i'r egni yn y system gynyddu, mae tymheredd y system (nwy delfrydol) yn cynyddu (U = 3/2 n RT). Mae'r tymheredd mewn cyfrannedd uniongyrchol â'r pwysedd. Felly, os yw tymheredd y system yn cynyddu, yna mae pwysedd y system yn cynyddu (p 2 ). Oherwydd cyfaint cyson y system, nid oes unrhyw waith yn cael ei wneud (dim ardal gysgodol).
Yn y broses isochorig, ni all y system wneud gwaith ar yr amgylchedd. Yn yr un modd, ni all yr amgylchedd wneud gwaith ar y system. Mae hyn oherwydd, mewn proses isochorig, mae cyfaint y system bob amser yn gyson. Mae rhai mathau o waith nad ydynt yn cynnwys newidiadau cyfaint. Felly er nad yw cyfaint y system yn newid, gellir gwneud gwaith ar y system o hyd. Er enghraifft, mae ffan + batri mewn cynhwysydd caeedig. Gall y ffan gylchdroi gan ddefnyddio ynni gan y batri. Yn yr achos hwn, ystyrir ffaniau, batris ac aer y tu mewn i'r cynhwysydd fel systemau.
Pan fydd y ffan yn cylchdroi, mae'r ffan yn gwneud gwaith, gan chwarae yn bresennol yn y cynhwysydd. Ar yr un pryd, mae egni cinetig y ffan yn troi'n egni yn yr awyr. Mae egni trydanol yn y batri, wrth gwrs, yn cael ei leihau oherwydd ei fod wedi newid siâp yn egni yn yr awyr. Mae'r enghraifft hon yn dangos, yn y broses isochorig (mae'r gyfaint bob amser yn gyson), y gellir dal i wneud gwaith ar y system (gwaith nad yw'n cynnwys newidiadau cyfaint).
Proses Isobarig (pwysedd cyson)
Mewn proses isobarig, cedwir pwysau'r system yn gyson. Gan fod pwysau'n gyson, nid yw newid ynni mewnol ( ΔU ), gwres (Q) a gwaith (W) yn y broses isobarig yn sero. Felly, nid yw fformiwla thermodynameg y gyfraith gyntaf wedi newid.
ΔU = Q − W
Mae newidiadau mewn pwysau a chyfaint nwy yn y broses isobarig wedi'u darlunio gan y graff isod:
Yn gyntaf, cyfaint y system = V1 (cyfaint bach). Gan fod y pwysau'n cael ei gadw'n gyson, felly ar ôl ychwanegu gwres at y system, mae'r system yn ehangu ac yn gwneud gwaith ar yr amgylchedd. Ar ôl gweithio ar yr amgylchedd, mae cyfaint y system yn newid i V2 (cynnydd cyfaint y system). Swm y gwaith (W) a wneir yn y system = ardal gysgodol.
Cwestiwn 1 :
Mae cromliniau 1-2 mewn dau ddiagram isod yn dangos ehangu nwy (cynnydd cyfaint nwy) sy'n digwydd yn adiabatig ac yn isothermol. Ym mha broses, mae'r gwaith a gyflawnir gan nwy yn llai?
Mae'r gwaith a gyflawnir gan nwyon yn y broses adiabatig yn llai na'r gwaith a gyflawnir gan nwyon yn y broses isothermol. Ardal gysgodol = y gwaith a wneir gan y nwy yn ystod y broses ehangu (cynnydd yng nghyfaint y nwy). Mae'r ardal gysgodol yn y broses adiabatig yn llai na'r ardal gysgodol yn y broses isothermol.
Cwestiwn 2 :
Dangosir prosesau thermodynamig yn y diagram isod. Cromliniau ab a dc = prosesau isochorig (cyfaint cyson). Cromlin bc ac ad = proses isobarig (pwysedd cyson). Yn y broses ab, ychwanegir gwres (Q) 600 Joule at y system. Yn y broses bc, ychwanegir gwres (Q) 800 Joule at y system.
a) Newidiadau ynni mewn proses ab
b) Newidiadau ynni yn y broses abc
c) Cyfanswm y gwres a ychwanegwyd at y broses ADC
P² = 2 x 10⁻⁶ Pa = 2 x 10⁻⁶ N / m²
P² = 4 x 10⁻⁶ Pa = 4 x 10⁻⁶ N / m²
V 1 = 2 litr = 2 dm 3 = 2 x 10-3 m 3
V 2 = 4 litr = 2 dm 3 = 4 x 10-3 m 3
Ateb
a) Newidiadau ynni mewnol yn y broses ab
Yn y broses ab, ychwanegir 600 J o wres at y system. Proses ab = proses isochorig (cyfaint cyson). Yn y broses isochorig, dim ond cynyddu ynni yn y system y mae ychwanegu gwres yn y system. Felly, mae ynni yn newid yn y system ar ôl derbyn gwres:
ΔU = Q
ΔU = 600 J
b) Newidiadau ynni yn y broses abc
Proses ab = proses isochorig (cyfaint cyson). Yn y broses ab, mae 600 J o wres yn cael ei ychwanegu at y system. Oherwydd cyfaint cyson, nid oes unrhyw waith yn cael ei wneud gan y system.
Proses bc = proses isobarig (pwysedd cyson). Yn y broses bc, ychwanegir gwres (Q) 800 Joule at y system. Yn y broses isobarig, gall y system wneud gwaith. Swm y gwaith a wneir gan y system yn y broses bc (proses isobarig) yw:
W = P (V2 – V1 ) — pwysau cyson
W = P2 ( V2 – V1 )
W = 4 x 10⁻⁶ N / m² ( 4 x 10⁻³ m³ – 2 x 10⁻³ m³ )
W = 4 x 10⁻¹ N / m² ( 2 x 10⁻¹ m³ )
W = 8 x 10⁶ Joule
W = 800 Joule
Cyfanswm y gwres a ychwanegir at y system yn y broses abc yw:
Cyfanswm Q = Q ab + Q bc
Cyfanswm Q = 600 J + 800 J
Cyfanswm Q = 1400 Joule
Cyfanswm y gwaith a gyflawnir gan y system yn y broses abc yw:
Cyfanswm W = W ab + W bc
Cyfanswm W = 0 + W bc
Cyfanswm W = 0 + 800 Joule
Cyfanswm W = 800 Joule
Newidiadau ynni mewnol yn y broses abc = 600 J
c) Cyfanswm y gwres a ychwanegwyd at y broses ADC
Gellir cyfrifo cyfanswm y gwres a ychwanegir at y system gan ddefnyddio'r hafaliad isod:
ΔU = Q – W
Q = ΔU + W
Cyfanswm y gwres a ychwanegwyd at y broses adc = newidiadau ynni mewnol yn yr adc + gwaith yn y broses adc.
Mae gwres a gwaith yn rhan o drosglwyddo ynni rhwng systemau a'r amgylchedd, tra bod newidiadau ynni mewnol yn ganlyniad trosglwyddo ynni rhwng system a'r amgylchedd. Felly, nid yw newid mewn ynni yn dibynnu ar y broses o drosglwyddo ynni. Ar y llaw arall, mae gwres a gwaith yn dibynnu ar y broses. Yn y broses isochorig (system gyfaint cyson), dim ond ar ffurf gwres y mae trosglwyddo ynni, tra nad yw gwaith. Yn y broses isobarig (pwysedd cyson), mae trosglwyddo ynni yn cynnwys gwres a gwaith. Er nad yw'n ddibynnol ar y broses, mae newidiadau ynni yn dibynnu ar gyflwr cychwynnol a chyflwr y system derfynol. Os yw'r cyflyrau cychwynnol a therfynol yr un peth, mae newidiadau mewn ynni bob amser yr un peth, er bod y broses yn wahanol.
Cyflyrau cychwynnol a therfynol y broses abc yn y graff uchod = cyflyrau cychwynnol a therfynol y broses adc. Felly, mae egni mewnol yn newid yn y broses adc = 600 J.
Cyfanswm (W) y gwaith a gyflawnwyd ar adc = W o'r broses ar ad + W ar y broses dc.
Mae proses ad yn broses isobarig (pwysedd cyson), tra bod y broses dc yn broses isochorig (cyfaint cyson). Oherwydd cyfaint cyson, nid oes unrhyw waith yn cael ei wneud ar y broses dc. Yn gyntaf, rydym yn cyfrifo'r gwaith a wneir ar broses ad.
W = P ( V2 - V1 )
W ad = P1 ( V2 - V1 )
W = 2 x 10 5 N/m 2 (4 x 10 ‐3 m 3 ‐ 2 x 10 ‐3 m 3 )
W = 2 x 10⁻⁶ N / m² ( 2 x 10⁻³ m³ )
W = 4 x 102 Joule
W ad = 400 Joule
Cyfanswm W = W mewn proses a-d + W mewn proses d-c
Cyfanswm W = 400 Joules + 0
Cyfanswm W = 400 Joule
Felly, faint o wres sy'n cael ei ychwanegu at y broses ADC yw:
Q = ΔU + W
Q = 600 J + 400 J
Q = 1000 J
Cwestiwn 3 :
Mae 1 litr o ddŵr yn troi'n 1671 litr o stêm pan gaiff ei ferwi ar bwysedd o 1 atm. Cyfrifwch y newid yn yr egni mewnol a'r gwaith a wneir gan ddŵr pan fydd yn anweddu … (Gwres anweddu dŵr = L V = 22.6 x 10 5 J/Kg)
Ateb
Dwysedd dŵr = 1000 kg/ m³
Gwres anweddu dŵr (L V ) = 22.6 x 10 5 J / Kg
P = 1 atm = 1.013 x 10⁻⁶ Pa = 1.013 x 10⁻⁶ N / m²
V 1 = 1 litr = 1 dm 3 = 1 x 10-3 m 3 (Cyfaint dŵr)
V 2 = 1671 litr = 1671 dm 3 = 1671 x 10-3 m 3 ( Cyfaint y stêm)
a) Newidiadau mewn egni mewnol
Newidiadau mewn egni mewnol = Gwres a ychwanegir at ddŵr minws y gwaith a wneir gan ddŵr pan fydd yn anweddu. Cyfrif cyntaf Gwres (Q) a ychwanegir at ddŵr …
Q = m L V
Dwysedd dŵr = màs dŵr / cyfaint dŵr
Màs dŵr (m) = dwysedd dŵr x cyfaint dŵr
Màs dŵr (m) = (1000 kg/m³ ) ( 1 x 10⁻³ m³ )
Màs dŵr (m) = (1000 kg/m³ ) (0.001 m³ )
Màs dŵr (m) = 1 kg
Q = (1 kg) (22.6 x 105 J / kg)
Q = 22.6 x 10⁻⁶ J
Cyfrifwch y gwaith (W) a wneir gan ddŵr wrth iddo anweddu. Mae berwi dŵr yn digwydd ar bwysedd cyson (proses isobarig).
W = p ( V2 – V1 )
W = 1.013 x 10⁻¹ N / m² ( 1671 x 10⁻¹ m³ – 1 x 10⁻¹ m³ )
W = 1.013 x 10⁻¹ N / m² ( 1670 x 10⁻¹ m³ )
W = 1691.71 x 105 Joule
W = 1.7 x 105 Joule
Newidiadau yn egni mewnol dŵr:
ΔU = Q – W
ΔU = 22.6 x 10 5 J – 1.7 x 10 5 J
ΔU = 20.9 x 10⁻⁶ J
ΔU = 21 x 10⁻⁶ J
Defnyddir gwres 21 x 10 5 Joule sy'n cael ei ychwanegu at ddŵr i gynyddu egni mewnol (goresgyn grymoedd tynnol rhwng moleciwlau sy'n cadw dŵr yn hylif). Mewn geiriau eraill, defnyddir 21 x 10 5 J i drosi dŵr yn stêm. Pan fydd dŵr wedi dod yn stêm, defnyddir y 1.7 x 10 5 J sy'n weddill i wneud gwaith.
Cwestiwn 4 :
Mae 1 mol o nwy mewn silindr yn ehangu'n gyflym yn adiabatig. Ar y dechrau, mae tymheredd y nwy = 1000 K. Ar ôl ehangu, mae tymheredd y nwy yn gostwng i 500 K. Pennwch y gwaith a wneir gan y nwy …
Ateb
Mae ehangu nwy yn digwydd yn adiabatig. Yn y broses adiabatig, nid oes unrhyw wres yn mynd i mewn nac yn gadael y system. Felly, gwaith a gyflawnir mewn nwy = newidiadau ynni mewn nwy.
ΔU = Q – W neu W = Q – ΔU → Q = 0
W = 0 – ΔU
W = – ΔU
Gallwn gyfrifo'r newidiadau ynni yn y nwy gan ddefnyddio'r hafaliad ynni yn y nwy delfrydol:
ΔU = 3/2 (1 môl) (8.315 J / môl. K) (500 K – 1000 K)
ΔU = 3/2 (1 môl) (8.315 J / môl. K) (- 500 K)
ΔU = -6236.25 J
Felly, faint o waith a gyflawnir gan nwy yw:
W = – ΔU
W = – (- 6236.25 J)
W = 6236.25 J
