Термодинамикалық процестер туралы мақала: Изотермиялық Адиабаталық Изохоралық Изобаралық
Термодинамикалық процестердің төрт түрі бар: изотермиялық, изохоралық, изобаралық және адиабаталық.
Изотермиялық процесс (тұрақты температура)
Изотермиялық процесте жүйе температурасы тұрақты сақталады. Теориялық тұрғыдан талданатын жүйе идеал газ болып табылады. Идеал газ температурасы идеал ішкі газ энергиясына тура пропорционал (U = 3/2 n RT). T өзгермейді, сондықтан U да өзгермейді. Осылайша, изотермиялық процеске қолданылса, термодинамикалық теңдеудің бірінші заңы келесідей болады:
Δ U = Q – W
Ішкі энергия өзгермейді, сондықтан Δ U = 0.
0 = Q – W
Q = W
Осы теңдеуге сүйене отырып, изотермиялық процесте (тұрақты температура) жүйеге қосылған жылу (Q) жүйемен жұмыс (W) орындау үшін пайдаланылады.
Изотермиялық процестегі жүйенің қысымы мен көлемінің өзгеруі төмендегі графикпен көрсетілген:
Бірінші жүйе көлемі = V1 (кіші көлем) және жүйе қысымы = P1 (үлкен қысым). Жүйе температурасы тұрақты болуы үшін, жүйеге жылу қосылғаннан кейін, жүйе кеңейіп, қоршаған ортаға әсер етеді. Жүйе қоршаған ортаға әсер еткеннен кейін, жүйе көлемі V-қа өзгереді.2 (жүйе көлемі артады) және жүйе қысымы P-ге өзгереді2 (жүйелік қысымның төмендеуі). Графиктің пішіні қисық, себебі жүйенің қысымы процесс барысында үнемі өзгермейді. Орындалған жұмыс көлемі жүйе = көлеңкеленген аумақ.
Адиабаталық процесс
Адиабаталық процесте жүйеге жылу қосылмайды немесе жүйеден шықпайды (Q = 0). Адиабаталық процестер жақсы оқшауланған жабық жүйелерде жүруі мүмкін. Жақсы оқшауланған жабық жүйе үшін әдетте жүйеге ағып немесе жүйеден шықпайды. Адиабаталық процестер оқшауланбаған жабық жүйелерде де жүруі мүмкін.
Бұл жағдайда жылу жүйеге ағып кетпеуі немесе жүйеден шықпауы үшін процесс жылдам орындалуы керек. Егер адиабаталық процеске қолданылса, термодинамикалық теңдеудің бірінші заңы өзгереді:
Δ U = Q – W
Жүйеге кіретін немесе шығатын жылу жоқ, сондықтан Q = 0.
Δ U = 0 – W
Δ U = -W
Егер жүйе тез басылса (жүйеде жұмыс жасалса), онда жұмыс теріс болады. W теріс болғандықтан, U оң болады (жүйедегі энергия артады). Керісінше, егер жүйе тез кеңейсе (жүйе жұмыс істейді), онда W оң болады. W оң болғандықтан, U теріс болады (жүйедегі энергия азаяды). Жүйедегі энергия (идеал газ) температураға пропорционалды (U = 3/2 n RT), сондықтан егер жүйедегі энергия артса, онда жүйе температурасы да артады. Керісінше, егер жүйедегі энергия азайса, онда жүйе температурасы төмендейді.
Адиабаталық процестегі жүйе қысымы мен көлемінің өзгеруі төмендегі графикте көрсетілген:
Бұл графиктегі адиабаталық қисық (1-2 қисықтар) изотермиялық қисыққа (1-3 қисықтар) қарағанда тік. Бұл тіктік айырмашылығы көлемнің бірдей өсуі кезінде жүйе қысымының адиабаталық процесте изотермиялық процеске қарағанда көбірек төмендейтінін көрсетеді. Адиабаталық кеңею кезінде жүйе қысымы да төмендейтіндіктен, жүйе температурасы да төмендейді. Температура қысымға пропорционалды, сондықтан жүйе температурасы төмендесе, жүйе қысымы да төмендейді. Изотермиялық процестен айырмашылығы, жүйе температурасы әрқашан тұрақты болады. Осылайша, изотермиялық процесте температура қысымның төмендеуіне әсер етпейді.
Адиабаттық процестің бір мысалы ретінде дизельді және бензинді қозғалтқыш сияқты іштен жанатын қозғалтқыштарда орын алады. Дизельді қозғалтқыштарда цилиндрге ауа енгізіледі, ал цилиндр ішіндегі ауа поршеньді пайдаланып тез басылады (жұмыс ауада жасалады). Адиабаттық қысу процесі (жүйе көлемін азайту) 2-1 қисығымен көрсетілген. Адиабаттық қысымның жоғары болуына байланысты температура тез көтеріледі. Сонымен қатар, дизель цилиндрге инжектор арқылы шашыратылады, ал қоспа бірден іске қосылады. Бензинді қозғалтқышта цилиндрге ауа мен бензин қоспасы енгізіліп, содан кейін поршеньді пайдаланып тез басылады. Адиабаттық түрде тез басылатындықтан, температура тез көтеріледі. Сонымен қатар, ұшқын шамдары жанып, жану процесі жүреді.
Изохоралық процесс (тұрақты көлем)
Изохоралық процесте жүйенің көлемі тұрақты болып қалады. Жүйенің көлемі әрқашан тұрақты болғандықтан, жүйе қоршаған ортаға әсер ете алмайды. Қоршаған орта да жүйеге әсер ете алмайды. Изохоралық процеске қолданылса, термодинамикалық теңдеудің бірінші заңы келесідей өзгереді:
Δ U = Q – W
Жүйе қоршаған ортада жұмыс істемейді, сондықтан W = 0
Δ U = Q – 0
Δ U = Q
Осы нәтижеден изохоралық процесте (тұрақты көлем) жүйеге қосылған жылу (Q) жүйедегі энергияны арттыру үшін пайдаланылады деген қорытынды жасауға болады. Изохоралық процестегі жүйе қысымы мен көлемінің өзгерістері төмендегі графикте көрсетілген:
Алдымен жүйенің қысымы = p 1 (кіші қысым). Жүйенің қосымша жылуы жүйедегі энергияның артуына әкеледі. Жүйедегі энергия артқан сайын жүйе температурасы (идеал газ) артады (U = 3/2 n RT). Температура қысымға тура пропорционалды. Сондықтан, егер жүйе температурасы артса, онда жүйенің қысымы артады (p 2 ). Жүйенің көлемі тұрақты болғандықтан, ешқандай жұмыс жасалмайды (көлеңкелі аймақ жоқ).
Изохоралық процесте жүйе қоршаған ортаға жұмыс істей алмайды. Сол сияқты, қоршаған орта да жүйеге жұмыс істей алмайды. Себебі, изохоралық процесте жүйенің көлемі әрқашан тұрақты болады. Көлемнің өзгеруін қамтымайтын белгілі бір жұмыс түрлері бар. Сондықтан жүйенің көлемі өзгермесе де, жүйеде жұмыс істеуге болады. Мысалы, жабық контейнерде желдеткіш + батарея бар. Желдеткіш батареяның энергиясын пайдаланып айнала алады. Бұл жағдайда желдеткіштер, батареялар және контейнер ішіндегі ауа жүйелер болып саналады.
Желдеткіш айналған кезде, желдеткіш жұмыс істейді, контейнерде бар. Сонымен қатар, желдеткіштің кинетикалық энергиясы ауадағы энергияға айналады. Әрине, батареядағы электр энергиясы азаяды, себебі ол пішінін өзгертіп, ауадағы энергияға айналады. Бұл мысал изохоралық процесте (көлем әрқашан тұрақты) жүйеде жұмыс істеуге болатынын көрсетеді (көлемнің өзгеруін қамтымайтын жұмыс).
Изобаралық процесс (тұрақты қысым)
Изобаралық процесте жүйенің қысымы тұрақты сақталады. Қысым тұрақты болғандықтан, изобаралық процестегі ішкі энергияның өзгеруі ( ΔU ), жылу мөлшері (Q) және жұмыс (W) нөлге тең емес. Осылайша, термодинамиканың бірінші заңының формуласы өзгерген жоқ.
ΔU = Q − W
Изобаралық процестегі қысым мен газ көлемінің өзгеруі төмендегі графикте көрсетілген:
Біріншіден, жүйе көлемі = V1 (кіші көлем). Қысым тұрақты сақталатындықтан, жүйеге жылу қосылғаннан кейін жүйе кеңейеді және қоршаған ортаға әсер етеді. Қоршаған ортаға әсер еткеннен кейін жүйе көлемі V-ға өзгереді.2 (жүйе көлемінің ұлғаюы). Жүйенің атқарылған жұмыс көлемі (W) = көлеңкеленген аумақ.
1-сұрақ:
Төмендегі екі диаграммадағы 1-2 қисықтар адиабаталық және изотермиялық түрде жүретін газдың кеңеюін (газ көлемінің ұлғаюын) көрсетеді. Қай процесте газдың атқаратын жұмысы аз болады?
Адиабаталық процестегі газдардың атқаратын жұмысы изотермиялық процестегі газдардың жұмысынан аз. Көлеңкеленген аудан = кеңею процесінде (газ көлемінің ұлғаюы) газдың атқаратын жұмысы. Адиабаталық процестегі көлеңкеленген аудан изотермиялық процестің көлеңкеленген ауданынан аз.
2-сұрақ:
Термодинамикалық процестер төмендегі диаграммада көрсетілген. ab және dc қисықтары = изохоралық процестер (тұрақты көлем). bc және ad қисықтары = изобаралық процесс (тұрақты қысым). ab процесінде жүйеге 600 Джоуль жылу қосылады. bc процесінде жүйеге 800 Джоуль жылу қосылады.
а) AB процесіндегі энергия өзгерістері
b) abc процесіндегі энергия өзгерістері
c) ADC процесіне қосылған жалпы жылу
P 1 = 2 x 10 5 Па = 2 x 10 5 Н / м 2
P 2 = 4 x 10 5 Па = 4 x 10 5 Н / м 2
V 1 = 2 литр = 2 дм 3 = 2 x 10 -3 м 3
V 2 = 4 литр = 2 дм 3 = 4 x 10 -3 м 3
шешім
а) ab процесіндегі ішкі энергия өзгерістері
ab процесінде жүйеге 600 Дж жылу қосылады. ab процесі = изохоралық процесс (тұрақты көлем). Изохоралық процесте жүйеге жылу қосу жүйедегі энергияны тек арттырады. Осылайша, жылу алғаннан кейін жүйедегі энергия өзгереді:
ΔU = Q
ΔU = 600 Дж
b) abc процесіндегі энергия өзгерістері
ab процесі = изохоралық процесс (тұрақты көлем). ab процесінде жүйеге 600 Дж жылу қосылады. Көлем тұрақты болғандықтан, жүйе ешқандай жұмыс атқармайды.
bc процесі = изобаралық процесс (тұрақты қысым). bc процесінде жүйеге 800 Джоуль жылу (Q) қосылады. Изобаралық процессте жүйе жұмыс істей алады. bc процесінде (изобаралық процесс) жүйенің атқаратын жұмыс көлемі:
W = P (V2 – V1 ) — тұрақты қысым
W = P2 ( V2 – V1 )
W = 4 x 10 5 Н/м 2 (4 x 10 -3 м 3 – 2 x 10 -3 м 3 )
W = 4 x 10 5 Н/м 2 (2 x 10 -3 м 3 )
W = 8 x 10 2 Джоуль
W = 800 Джоуль
abc процесінде жүйеге қосылған жалпы жылу мөлшері:
Q жалпы = Q ab + Q bc
Q жалпы саны = 600 Дж + 800 Дж
Q жалпы саны = 1400 Джоуль
abc процесінде жүйенің атқаратын жалпы жұмысы:
W жалпы = W ab + W bc
W жалпы = 0 + W bc
W жалпы сомасы = 0 + 800 Джоуль
W жалпы = 800 Джоуль
abc = 600 Дж процесіндегі ішкі энергия өзгерістері
c) ADC процесіне қосылған жалпы жылу
Жүйеге қосылған жалпы жылуды келесі теңдеу арқылы есептеуге болады:
ΔU = Q – W
Q = ΔU + W
Процесске қосылған жалпы жылу adc = adc ішіндегі ішкі энергияның өзгеруі + процестегі жұмыс adc.
Жылу мен жұмыс жүйелер мен қоршаған орта арасындағы энергия алмасуына қатысады, ал ішкі энергияның өзгеруі жүйе мен қоршаған орта арасындағы энергия алмасуының нәтижесі болып табылады. Сондықтан энергияның өзгеруі энергия алмасу процесіне тәуелді емес. Екінші жағынан, жылу мен жұмыс процеске байланысты. Изохоралық процесте (тұрақты көлем жүйесінде) энергия алмасу тек жылу түрінде болады, ал жұмыс емес. Изобаралық процесте (тұрақты қысым) энергия алмасу жылу мен жұмысты қамтиды. Процеске тәуелді болмаса да, энергия бастапқы күйіне және соңғы жүйенің күйіне байланысты өзгереді. Егер бастапқы және соңғы күйлер бірдей болса, энергияның өзгеруі әрқашан бірдей болады, бірақ процесс әртүрлі.
Жоғарыдағы графиктегі abc процесінің бастапқы және соңғы күйлері = adc процесінің бастапқы және соңғы күйлері. Осылайша, adc процесінде ішкі энергияның өзгеруі = 600 Дж.
adc кезінде орындалған жалпы жұмыс (W) = ad кезіндегі W процесі + тұрақты ток кезіндегі W.
ад процесі изобаралық процесс (тұрақты қысым), ал тұрақты ток процесі изохоралық процесс (тұрақты көлем). Тұрақты көлемге байланысты тұрақты ток процесінде ешқандай жұмыс жасалмайды. Біріншіден, біз ад процесінде жасалған жұмысты есептейміз.
W ad = P ( V2 ‐ V1 )
W ad = P 1 (V 2 ‐ V 1 )
W ad = 2 x 10 5 Н/м 2 (4 x 10 ‐3 м 3 ‐ 2 x 10 ‐3 м 3 )
W ad = 2 x 10 5 Н/м 2 (2 x 10 ‐3 м 3 )
W ad = 4 x 10 2 Джоуль
W ad = 400 Джоуль
W жалпы = a-d процесіндегі W + d-c процесіндегі W
W жалпы = 400 Джоуль + 0
W жалпы = 400 Джоуль
Осылайша, ADC процесіне қосылған жылу мөлшері:
Q = ΔU + W
Q = 600 Дж + 400 Дж
Q = 1000 Дж
3-сұрақ:
1 литр су 1 атм қысымда қайнатылғанда 1671 литр буға айналады. Буланған кезде судың ішкі энергиясының өзгерісін және атқаратын жұмысын есептеңіз... (Судың булану жылуы = л к = 22.6 x 105 Дж /кг)
шешім
Су тығыздығы = 1000 кг/м 3
Судың булану жылуы (L V ) = 22.6 x 105 Дж / кг
P = 1 атм = 1.013 x 10 5 Па = 1.013 x 10 5 Н/м 2
V 1 = 1 литр = 1 дм 3 = 1 x 10 -3 м 3 (Су көлемі)
V 2 = 1671 литр = 1671 дм 3 = 1671 x 10 -3 м 3 (Бу көлемі)
а) Ішкі энергияның өзгеруі
Ішкі энергияның өзгеруі = Суға қосылған жылудан булану кезіндегі судың атқаратын жұмысы алынып тасталады. Бірінші санау Суға қосылған жылу (Q) …
Q = м L V
Су тығыздығы = су массасы / су көлемі
Су массасы (м) = су тығыздығы x су көлемі
Су массасы (м) = (1000 кг/м3 ) ( 1 x 10 -3 м3 )
Су массасы (м) = (1000 кг/м3 ) (0.001 м3 )
Су массасы (м) = 1 кг
Q = (1 кг) (22.6 x 10 5 Дж / кг)
Q = 22.6 x 10 5 Дж
Буланған кезде судың атқаратын жұмысын (Вт) есептеңіз. Судың қайнауы тұрақты қысымда жүреді (изобаралық процесс).
W = p ( V2 – V1 )
W = 1.013 x 10 5 Н/м 2 (1671 x 10 -3 м 3 – 1 x 10 -3 м 3 )
W = 1.013 x 10 5 Н/м 2 (1670 x 10 -3 м 3 )
W = 1691.71 x 105 Джоуль
W = 1.7 x 105 Джоуль
Судың ішкі энергиясының өзгерістері:
ΔU = Q – W
ΔU = 22.6 x 10 5 Дж – 1.7 x 10 5 Дж
ΔU = 20.9 x 10 5 Дж
ΔU = 21 x 10 5 Дж
Суға қосылған 21 x 10 5 Джоуль жылуы ішкі энергияны арттыруға (суды сұйық күйінде ұстап тұратын молекулалар арасындағы созылу күштерін жеңуге) жұмсалады. Басқаша айтқанда, 21 x 10 5 Дж суды буға айналдыру үшін қолданылады. Су буға айналғанда, қалған 1.7 x 105 Дж жұмыс істеуге жұмсалады.
4-сұрақ:
Цилиндрдегі 1 моль газ адиабаталық түрде тез кеңейеді. Алдымен газ температурасы = 1000 К. Кеңейгеннен кейін газ температурасы 500 К дейін төмендейді. Газдың атқаратын жұмысын анықтаңыз...
шешім
Газдың кеңеюі адиабаталық түрде жүреді. Адиабаталық процесте жүйеге жылу кірмейді немесе шықпайды. Осылайша, газда орындалатын жұмыс = газдағы энергия өзгерістері.
ΔU = Q – W немесе W = Q – Δ U → Q = 0
W = 0 – ΔU
W = – ΔU
Идеал газдағы энергия теңдеуін пайдаланып, газдағы энергия өзгерістерін есептей аламыз:
ΔU = 3/2 (1 моль) (8.315 Дж/моль. К) (500 К – 1000 К)
ΔU = 3/2 (1 моль) (8.315 Дж / моль. К) (- 500 К)
ΔU = -6236.25 Дж
Сонымен, газдың атқаратын жұмыс көлемі:
W = – ΔU
W = – (- 6236.25 Дж)
W = 6236.25 Дж
