Artikulua Prozesu termodinamikoak: Isotermoa Adiabatikoa Isokorikoa Isobarikoa
Lau prozesu termodinamiko daude: isotermikoa, isokorikoa, isobarikoa eta adiabatikoa.
Prozesu isotermikoa (tenperatura konstantea)
Prozesu isotermiko batean, sistemaren tenperatura konstante mantentzen da. Teorian, aztertutako sistema gas ideal bat da. Gas idealaren tenperatura zuzenean proportzionala da gas idealaren barne-energiarekin (U = 3/2 n RT). T ez da aldatzen, beraz, U ere ez da aldatzen. Beraz, prozesu isotermikoari aplikatzen bazaio, ekuazio termodinamikoaren lehen legea hau da:
Δ U = Q – W
Barne-energia ez da aldatzen, beraz, ΔU = 0 da.
0 = Q – W
Q = W
Ekuazio honetan oinarrituta, prozesu isotermikoan (tenperatura konstantea), sistemari gehitzen zaion beroa (Q) sistemak lana (W) egiteko erabiltzen du.
Sistemaren presio eta bolumen aldaketa prozesu isotermikoan beheko grafikoak erakusten du:
Lehenengo sistemaren bolumena = V1 (bolumen txikia) eta sistemaren presioa = P1 (presio handia). Sistemaren tenperatura konstantea izan dadin, beroa gehitu ondoren, sistemak hedatu eta ingurunean lana egiten du. Sistemak ingurunean lana egin ondoren, sistemaren bolumena V-ra aldatzen da.2 (sistemaren bolumena handitzen da) eta sistemaren presioa P-ra aldatzen da2 (sistemaren presioaren jaitsiera). Grafikoaren forma kurbatua da, sistemaren presioa ez baita prozesuan zehar aldizka aldatzen. Sistemak egindako lan kopurua = itzalpeko eremua.
Prozesu adiabatikoa
Prozesu adiabatikoan, ez da berorik gehitzen sistemari edo sistematik irteten (Q = 0). Prozesu adiabatikoak ondo isolatutako sistema itxietan gerta daitezke. Ondo isolatutako sistema itxi batean, normalean ez dago berorik sistemara isurtzen edo sistematik irteten. Prozesu adiabatikoak isolatuta ez dauden sistema itxietan ere gerta daitezke.
Kasu honetan, prozesua azkar egin behar da, beroa sistemara ez isuri edo sistematik irten ez dadin. Prozesu adiabatiko bati aplikatzen bazaio, lehenengo legearen ekuazio termodinamikoa aldatu egingo da:
Δ U = Q – W
Ez dago berorik sisteman sartu edo irteten, beraz, Q = 0.
Δ U = 0 – W
Δ U = -W
Sistema azkar sakatzen bada (lana egiten bada sisteman), orduan lana negatiboa da. W negatiboa denez, orduan U positiboa da (sistemaren energia handitzen da). Alderantziz, sistema azkar hedatzen bada (sistemak lana egiten badu), orduan W positiboa da. W positiboa denez, U negatiboa da (sistemaren energia murrizten da). Sistemaren energia (gas ideala) tenperaturarekiko proportzionala da (U = 3/2 n RT), beraz, sistemaren energia handitzen bada, sistemaren tenperatura ere handitzen da. Alderantziz, sistemaren energia murrizten bada, sistemaren tenperatura jaisten da.
Prozesu adiabatikoan sistemaren presio eta bolumenaren aldaketa beheko grafikoak erakusten du:
Grafiko honetako kurba adiabatikoa (1-2 kurbak) kurba isotermikoa (1-3 kurbak) baino aldapatsuagoa da. Malda-alde honek erakusten du bolumen-igoera berarentzat, sistemaren presioa gehiago murrizten dela prozesu adiabatikoan prozesu isotermikoan baino. Sistemaren presioa gehiago jaisten da prozesu adiabatikoan, hedapen adiabatikoa gertatzen denean, sistemaren tenperatura ere jaisten baita. Tenperatura presioarekiko proportzionala da, beraz, sistemaren tenperatura jaisten bada, sistemaren presioa ere jaisten da. Prozesu isotermikoaren aldean, sistemaren tenperatura beti konstantea da. Beraz, prozesu isotermikoan, tenperaturak ez du eraginik presio-jaitsieran.
Prozesu adiabatiko baten adibide bat barne-errekuntzako motor batean gertatzen da, hala nola diesel motor batean eta gasolina motor batean. Diesel motorretan, airea sartzen da zilindroan, eta zilindro barruko airea azkar sakatzen da pistoi bat erabiliz (lana egiten da airean). Konpresio adiabatiko prozesua (sistemaren bolumenaren murrizketa) 2-1 kurbak ilustratzen du. Presio adiabatiko azkarra dela eta, tenperatura azkar igotzen da. Aldi berean, gasolioa zilindroan sartzen da injektorearen bidez, eta nahastea berehala aktibatzen da. Gasolina motor batean, aire eta gasolina nahasketa bat sartzen da zilindroan eta gero azkar sakatzen da pistoi bat erabiliz. Azkar bultzatzen denez adiabatikoki, tenperatura azkar igotzen da. Aldi berean, bujiak pizten dira erretze prozesua gerta dadin.
Prozesu isokorikoa (bolumen konstantea)
Prozesu isokorikoan, sistemaren bolumena konstante mantentzen da. Sistemaren bolumena beti konstantea denez, sistemak ezin du ingurunean lanik egin. Inguruneak ere ezin du sisteman lanik egin. Prozesu isokorikoari aplikatzen bazaio, ekuazio termodinamikoaren lehen legea honela aldatzen da:
Δ U = Q – W
Sistemak ez du ingurunean eragiten, beraz, W = 0
Δ U = Q – 0
Δ U = Q
Emaitza honetatik ondoriozta dezakegu prozesu isokorikoan (bolumen konstantea), sistemari gehitzen zaion beroa (Q) sistemaren energia handitzeko erabiltzen dela. Sistemaren presio eta bolumenaren aldaketak prozesu isokorikoan beheko grafikoan ilustratzen dira:
Hasieran, sistemaren presioa = p 1 (presio txikia). Sistemaren bero gehigarriak sistemaren energia handitzea eragiten du. Sistemaren energia handitzen den heinean, sistemaren tenperatura (gas ideala) handitzen da (U = 3/2 n RT). Tenperatura zuzenean proportzionala da presioarekiko. Beraz, sistemaren tenperatura handitzen bada, sistemaren presioa handitzen da (p 2 ). Sistemaren bolumen konstantea denez, ez da lanik egiten (ez dago itzalpeko eremurik).
Prozesu isokorikoan, sistemak ezin du lanik egin ingurunean. Era berean, inguruneak ezin du lanik egin sisteman. Hau horrela da, prozesu isokoriko batean, sistemaren bolumena beti konstantea delako. Bolumen-aldaketarik ez duten lan mota batzuk daude. Beraz, sistemaren bolumena aldatzen ez den arren, lana egin daiteke sisteman. Adibidez, haizagailu bat + bateria bat daude ontzi itxi batean. Haizagailuak bira dezake bateriaren energia erabiliz. Kasu honetan, haizagailuak, bateriak eta ontziaren barruko airea sistematzat hartzen dira.
Haizagailua biratzen denean, haizagailuak lana egiten du, ontzian dagoena eginez. Aldi berean, haizagailuaren energia zinetikoa aireko energia bihurtzen da. Bateriako energia elektrikoa, noski, murrizten da, aireko energia bihurtu delako. Adibide honek erakusten du prozesu isokorikoan (bolumena beti konstantea da), lana egin daitekeela oraindik sisteman (bolumen-aldaketarik ez duen lana).
Prozesu isobarikoa (presio konstantea)
Prozesu isobariko batean, sistemaren presioa konstante mantentzen da. Presioa konstantea denez, barne-energiaren aldaketa ( Δ U), beroa (Q) eta lana (W) prozesu isobarikoan ez dira zero. Beraz, termodinamikaren lehen legearen formula ez da aldatu.
ΔU = Q − W
Prozesu isobarikoan presio eta gas-bolumenaren aldaketak beheko grafikoan ilustratzen dira:
Lehenik eta behin, sistemaren bolumena = V1 (bolumen txikia). Presioa konstante mantentzen denez, sistemari beroa gehitu ondoren, sistemak hedatu egiten du eta ingurunean lana egiten du. Ingurunean lan egin ondoren, sistemaren bolumena V-ra aldatzen da.2 (sistemaren bolumenaren igoera). Sistemak egindako lan kopurua (W) = itzalpeko eremua.
1. galdera:
Beheko bi diagramen 1-2 kurbek gasaren hedapena (gasaren bolumenaren igoera) adiabatikoki eta isotermikoki gertatzen dena erakusten dute. Zein prozesutan da txikiagoa gasak egindako lana?
Prozesu adiabatikoan gasek egindako lana prozesu isotermoan gasek egindako lana baino txikiagoa da. Itzalpeko eremua = gasak hedapen-prozesuan egindako lana (gas-bolumenaren handitzea). Prozesu adiabatikoan itzalpeko eremua prozesu isotermoaren itzalpeko eremua baino txikiagoa da.
2. galdera:
Prozesu termodinamikoak beheko diagraman ageri dira. Ab eta dc kurbak = prozesu isokorikoak (bolumen konstantea). Bc eta ad kurbak = prozesu isobarikoa (presio konstantea). Ab prozesuan, 600 Joule beroa (Q) gehitzen zaio sistemari. Bc prozesuan, 800 Joule beroa (Q) gehitzen zaio sistemari.
a) Energia-aldaketak ab prozesuan
b) Energia-aldaketak abc prozesuan
c) ADC prozesuari gehitutako bero osoa
P1 = 2 x 105 Pa = 2 x 105 N / m2
P2 = 4 x 105 Pa = 4 x 105 N / m2
V 1 = 2 litro = 2 dm 3 = 2 x 10 -3 m 3
V₂ = 4 litro = 2 dm³ = 4 x 10⁻³ m³
Irtenbidea
a) Barne-energiaren aldaketak ab prozesuan
ab prozesuan, 600 J bero gehitzen zaizkio sistemari. Ab prozesua = prozesu isokorikoa (bolumen konstantea). Prozesu isokorikoan, sisteman beroa gehitzeak sistemaren energia handitzen du soilik. Beraz, energia aldatzen da sisteman beroa jaso ondoren:
ΔU = Q
ΔU = 600 J
b) Energia-aldaketak abc prozesuan
Ab prozesua = prozesu isokorikoa (bolumen konstantea). Ab prozesuan, 600 J bero gehitzen zaizkio sistemari. Bolumen konstantea denez, sistemak ez du lanik egiten.
Prozesua bc = prozesu isobarikoa (presio konstantea). bc prozesuan, 800 Jouleko beroa (Q) gehitzen zaio sistemari. Prozesu isobarikoan, sistemak lana egin dezake. Sistemak bc prozesuan (prozesu isobarikoa) egindako lan kopurua hau da:
W = P (V 2 – V 1 ) — presio konstantea
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 10² Joule
W = 800 Joule
Abc prozesuan sistemari gehitutako bero osoa hau da:
Q guztira = Q ab + Q bc
Q guztira = 600 J + 800 J
Q guztira = 1400 Joule
Sistemak abc prozesuan egindako lan osoa hau da:
W guztira = W ab + W bc
W guztira = 0 + W bc
W guztira = 0 + 800 Joule
W guztira = 800 Joule
Barne-energiaren aldaketak abc = 600 J prozesuan
c) ADC prozesuari gehitutako bero osoa
Sistemari gehitutako bero osoa ekuazio honen bidez kalkula daiteke:
ΔU = Q – W
Q = ΔU + W
Prozesuari gehitutako bero osoa adc = adc-ko barne-energiaren aldaketak + prozesuan egindako lana adc.
Beroa eta lana sistemen eta ingurunearen arteko energia-transferentzian parte hartzen dute, barne-energiaren aldaketak, berriz, sistemaren eta ingurunearen arteko energia-transferentziaren ondorio dira. Beraz, energia-aldaketa ez dago energia-transferentziaren prozesuaren menpe. Bestalde, beroa eta lana prozesuaren menpe daude. Prozesu isokorikoan (bolumen konstanteko sistema), energia-transferentzia bero moduan bakarrik gertatzen da, lana, berriz, ez. Prozesu isobarikoan (presio konstantea), energia-transferentziak beroa eta lana dakartza. Prozesuaren menpe ez egon arren, energia hasierako egoeraren eta amaierako sistemaren egoeraren arabera aldatzen da. Hasierako eta azken egoerak berdinak badira, energia-aldaketak beti berdinak dira, nahiz eta prozesua desberdina izan.
Goiko grafikoan abc prozesuaren hasierako eta azken egoerak = adc prozesuaren hasierako eta azken egoerak. Beraz, adc prozesuan barne energiaren aldaketak = 600 J dira.
Adc-n egindako lan osoa (W) = ad-ko W prozesua + dc prozesua.
ad prozesua prozesu isobarikoa da (presio konstantea), eta dc prozesua, berriz, prozesu isokorikoa (bolumen konstantea). Bolumen konstantea denez, ez dago lanik egiten dc prozesuan. Lehenik, ad prozesuan egindako lana kalkulatzen dugu.
W ad = P ( V2 - V1 )
W ad = P1 ( V2 - V1 )
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 10⁵ m³ )
W ad = 4 x 10² Joule
W ad = 400 Joule
W guztira = a-d prozesuan W + d-c prozesuan W
W guztira = 400 Joule + 0
W guztira = 400 Joule
Beraz, ADC prozesuari gehitzen zaion bero kopurua hau da:
Q = ΔU + W
Q = 600 J + 400 J
Q = 1000 J
3. galdera:
Litro 1 ur 1671 litro lurrun bihurtzen da 1 atm-ko presioan irakiten denean. Kalkulatu urak lurruntzean egindako barne-energiaren eta lana... (Uraren lurruntze-beroa = L V = 22.6 x 10 5 J/Kg)
Irtenbidea
Uraren dentsitatea = 1000 kg/ m³
Uraren lurruntze-beroa (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 litro = 1 dm 3 = 1 x 10 -3 m 3 (Ur bolumena)
V 2 = 1671 litro = 1671 dm 3 = 1671 x 10 -3 m 3 (Lurrunaren bolumena)
a) Barne-energiaren aldaketak
Barne-energiaren aldaketak = Urari gehitutako beroa ken urak lurruntzean egindako lana. Lehenengo zenbaketa Urari gehitutako beroa (Q) …
Q = m L V
Uraren dentsitatea = uraren masa / uraren bolumena
Uraren masa (m) = uraren dentsitatea x uraren bolumena
Uraren masa (m) = (1000 kg/m³ ) ( 1 x 10⁻³ m³ )
Uraren masa (m) = (1000 kg/m³ ) (0.001 m³ )
Uraren masa (m) = 1 kg
Q = (1 kg) (22.6 x 10 5 J / kg)
Q = 22.6 x 10⁵ J
Kalkulatu urak lurruntzean egindako lana (W). Uraren irakitea presio konstantean gertatzen da (prozesu isobarikoa).
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 105 Joule
W = 1.7 x 105 Joule
Uraren barne-energiaren aldaketak:
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
Urari gehitzen zaion 21 x 10 5 Joule beroa barne-energia handitzeko erabiltzen da (ura fluido mantentzen duten molekulen arteko tentsio-indarrak gainditzeko). Beste era batera esanda, 21 x 10 5 J erabiltzen da ura lurrun bihurtzeko. Ura lurrun bihurtu denean, gainerako 1.7 x 105 J lana egiteko erabiltzen da.
4. galdera:
Zilindro bateko gas mol 1 azkar hedatzen da adiabatikoki. Hasieran, gasaren tenperatura = 1000 K da. Hedatu ondoren, gasaren tenperatura 500 K-ra jaisten da. Zehaztu gasak egindako lana …
Irtenbidea
Gasaren hedapena adiabatikoki gertatzen da. Prozesu adiabatikoan, ez da berorik sartzen edo irteten sistematik. Beraz, gasean egindako lana = gasaren energia-aldaketak.
ΔU = Q – W edo W = Q – Δ U → Q = 0
W = 0 – ΔU
W = – ΔU
Gas idealaren energia-ekuazioa erabiliz kalkula ditzakegu gasaren energia-aldaketak:
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
Beraz, gasak egindako lan kopurua hau da:
W = – ΔU
W = – (- 6236.25 J)
W = 6236.25 J
