Термодинамикалык процесстер боюнча макала: Изотермикалык Адиабаттык Изохорикалык Изобаралык процесстер
Термодинамикалык процесстердин төрт түрү бар: изотермикалык, изохорикалык, изобаралык жана адиабаттык.
Изотермикалык процесс (туруктуу температура)
Изотермикалык процессте системанын температурасы туруктуу кармалат. Теориялык жактан алганда, талданып жаткан система идеалдуу газ болуп саналат. Идеалдуу газдын температурасы идеалдуу ички газ энергиясына түз пропорционалдуу (U = 3/2 n RT). T өзгөрбөйт, ошондуктан U да өзгөрбөйт. Ошентип, изотермикалык процесске колдонулса, термодинамикалык теңдеменин биринчи закону төмөнкүдөй болот:
Δ U = Q – W
Ички энергия өзгөрбөйт, ошондуктан Δ U = 0.
0 = Q – W
Q = W
Бул теңдемеге таянып, изотермикалык процессте (туруктуу температура), системага кошулган жылуулук (Q) система тарабынан жумушту (W) аткаруу үчүн колдонулат.
Изотермикалык процессте системанын басымынын жана көлөмүнүн өзгөрүшү төмөнкү график менен көрсөтүлгөн:
Биринчи системанын көлөмү = V1 (кичинекей көлөмдө) жана системанын басымы = P1 (чоң басым). Системанын температурасы туруктуу болушу үчүн, системага жылуулук кошулгандан кийин, система кеңейип, айлана-чөйрөгө таасир этет. Система айлана-чөйрөгө таасир эткенден кийин, системанын көлөмү V га өзгөрөт.2 (системанын көлөмү жогорулайт) жана системанын басымы P чейин өзгөрөт2 (системанын басымынын төмөндөшү). Графиктин формасы ийри, анткени системанын басымы процесс учурунда үзгүлтүксүз өзгөрбөйт. Аткарылган иштин көлөмү система = көлөкөлөнгөн аянт.
Адиабаттык процесс
Адиабаттык процессте системага жылуулук кошулбайт же системадан чыкпайт (Q = 0). Адиабаттык процесстер жакшы изоляцияланган жабык системаларда жүрүшү мүмкүн. Жакшы изоляцияланган жабык система үчүн, адатта, системага агып кирген же системадан чыккан жылуулук болбойт. Адиабаттык процесстер изоляцияланбаган жабык системаларда да жүрүшү мүмкүн.
Бул учурда, жылуулук системага агып кетпеши же системадан чыгып кетпеши үчүн, процесс тез жүргүзүлүшү керек. Эгерде адиабаттык процесске колдонулса, биринчи закон Термодинамикалык теңдеме өзгөрөт:
Δ U = Q – W
Системанын ичинде да, сыртында да жылуулук жок, ошондуктан Q = 0.
Δ U = 0 – W
Δ U = -W
Эгерде система тез басылса (системада жумуш аткарылса), анда жумуш терс болот. W терс болгондуктан, анда U оң болот (системадагы энергия көбөйөт). Тескерисинче, эгер система тез кеңейсе (система иштейт), анда W оң болот. W оң болгондуктан, U терс болот (системадагы энергия азаят). Системадагы энергия (идеалдуу газ) температурага пропорционалдуу (U = 3/2 n RT), ошондуктан, эгер системадагы энергия көбөйсө, анда системанын температурасы да жогорулайт. Тескерисинче, эгер системадагы энергия азайса, анда системанын температурасы төмөндөйт.
Адиабаттык процессте системанын басымынын жана көлөмүнүн өзгөрүшү төмөнкү графикте көрсөтүлгөн:
Бул графиктеги адиабаттык ийри сызык (1-2 ийри сызыктар) изотермикалык ийри сызыкка (1-3 ийри сызыктар) караганда тик. Бул тиктик айырмасы көлөмдүн бирдей өсүшүндө системанын басымы адиабаттык процессте изотермикалык процесске караганда көбүрөөк төмөндөй турганын көрсөтүп турат. Адиабаттык кеңейүү болгондо системанын температурасы да төмөндөгөндүктөн, системанын басымы адиабаттык процессте көбүрөөк төмөндөйт. Температура басымга пропорционалдуу, ошондуктан системанын температурасы төмөндөсө, системанын басымы да төмөндөйт. Изотермикалык процесстен айырмаланып, системанын температурасы ар дайым туруктуу болот. Ошентип, изотермикалык процессте температура басымдын төмөндөшүнө таасир этпейт.
Адиабаттык процесстин бир мисалы дизелдик жана бензиндик кыймылдаткыч сыяктуу ички күйүүчү кыймылдаткычтарда болот. Дизелдик кыймылдаткычтарда цилиндрге аба киргизилет жана цилиндрдин ичиндеги аба поршень менен тез басылат (жумуш абада жасалат). Адиабаттык кысуу процесси (системанын көлөмүн азайтуу) 2-1 ийри сызыгы менен көрсөтүлгөн. Адиабаттык басымдын тездигинен улам температура тез көтөрүлөт. Ошол эле учурда, дизель цилиндрге инжектор аркылуу чачыратылып, аралашма заматта ишке кирет. Бензиндик кыймылдаткычта аба менен бензиндин аралашмасы цилиндрге киргизилип, андан кийин поршень менен тез басылат. Адиабаттык түрдө тез түртүлгөндүктөн, температура тез көтөрүлөт. Ошол эле учурда, учкун шамдары күйүп, күйүү процесси жүрөт.
Изохоралык процесс (туруктуу көлөм)
Изохоралык процессте системанын көлөмү туруктуу сакталат. Системанын көлөмү ар дайым туруктуу болгондуктан, система чөйрөгө таасир эте албайт. Айлана-чөйрө да системага таасир эте албайт. Эгерде изохоралык процесске колдонулса, термодинамикалык теңдеменин биринчи закону төмөнкүдөй өзгөрөт:
Δ U = Q – W
Система айлана-чөйрөдө иштебейт, ошондуктан W = 0
Δ U = Q – 0
Δ U = Q
Бул жыйынтыктан изохоралык процессте (туруктуу көлөм) системага кошулган жылуулук (Q) системадагы энергияны көбөйтүү үчүн колдонулат деген тыянак чыгарсак болот. Изохоралык процессте системанын басымынын жана көлөмүнүн өзгөрүшү төмөнкү график менен көрсөтүлгөн:
Башында, системанын басымы = p 1 (кичинекей басым). Системанын кошумча жылышы системадагы энергиянын көбөйүшүнө алып келет. Системадагы энергия көбөйгөн сайын, системанын температурасы (идеалдык газ) жогорулайт (U = 3/2 n RT). Температура басымга түз пропорционалдуу. Ошондуктан, эгер системанын температурасы жогоруласа, анда системанын басымы жогорулайт (p 2 ). Системанын көлөмү туруктуу болгондуктан, эч кандай жумуш аткарылбайт (көлөкөлүү аймак жок).
Изохоралык процессте система чөйрөгө иш аткара албайт. Ошо сыяктуу эле, чөйрө системага иш аткара албайт. Себеби, изохоралык процессте системанын көлөмү ар дайым туруктуу болот. Көлөмдүн өзгөрүшүн камтыбаган айрым жумуш түрлөрү бар. Ошентип, системанын көлөмү өзгөрбөсө да, системада иш аткарылышы мүмкүн. Мисалы, жабык идиште желдеткич + батарея бар. Вентилятор батареянын энергиясын колдонуп айлана алат. Бул учурда, желдеткичтер, батареялар жана контейнердин ичиндеги аба системалар деп эсептелет.
Вентилятор айланганда, желдеткич иштейт, контейнерде бар болуп турат. Ошол эле учурда, желдеткичтин кинетикалык энергиясы абадагы энергияга айланат. Албетте, батареядагы электр энергиясы азаят, анткени ал формасын өзгөртүп, абадагы энергияга айланган. Бул мисал изохоралык процессте (көлөм ар дайым туруктуу) системада дагы эле жумуш аткарыла аларын көрсөтүп турат (көлөмдүн өзгөрүшүн камтыбаган жумуш).
Изобаралык процесс (туруктуу басым)
Изобаралык процессте системанын басымы туруктуу сакталат. Басым туруктуу болгондуктан, изобаралык процесстеги ички энергиянын өзгөрүшү ( Δ U), жылуулук (Q) жана жумуш (W) нөлгө барабар эмес. Ошентип, термодинамиканын биринчи мыйзамынын формуласы өзгөргөн жок.
ΔU = Q − W
Изобардык процесстеги басымдын жана газдын көлөмүнүн өзгөрүшү төмөнкү графикте көрсөтүлгөн:
Биринчиден, системанын көлөмү = V1 (кичинекей көлөм). Басым туруктуу сакталгандыктан, системага жылуулук кошулгандан кийин, система кеңейип, айлана-чөйрөгө таасир этет. Айлана-чөйрөгө таасир эткенден кийин, системанын көлөмү V га өзгөрөт.2 (системанын көлөмүнүн көбөйүшү). Аткарылган жумуштун көлөмү (Вт) система = көлөкөлөнгөн аянт.
Суроо 1 :
Төмөндөгү эки диаграммадагы 1-2 ийри сызыктар адиабаттык жана изотермикалык түрдө жүрүүчү газдын кеңейишин (газдын көлөмүнүн көбөйүшүн) көрсөтөт. Кайсы процессте газ аткарган жумуш азыраак болот?
Адиабаттык процессте газдардын аткарган иши изотермикалык процесстеги газдардын ишинен аз. Көлөкөлүү аянт = кеңейүү процессинде (газдын көлөмүнүн көбөйүшү) газдын аткарган иши. Адиабаттык процесстеги көлөкөлүү аянт изотермикалык процесстин көлөкөлүү аянтынан аз.
Суроо 2 :
Термодинамикалык процесстер төмөндөгү диаграммада көрсөтүлгөн. ab жана dc ийри сызыктары = изохоралык процесстер (туруктуу көлөм). bc жана ad ийри сызыгы = изобаралык процесс (туруктуу басым). ab процессинде системага 600 Джоул жылуулук кошулат. bc процессинде системага 800 Джоул жылуулук кошулат.
а) аб процессиндеги энергиянын өзгөрүшү
б) abc процессиндеги энергиянын өзгөрүшү
в) ADC процессине кошулган жалпы жылуулук
P1 = 2 x 10 5 Па = 2 x 10 5 Н / м2
P2 = 4 x 10 5 Па = 4 x 10 5 Н / м2
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
чечим
а) ab процессиндеги ички энергиянын өзгөрүшү
ab процессинде системага 600 Дж жылуулук кошулат. ab процесси = изохоралык процесс (туруктуу көлөм). Изохоралык процессте системага жылуулуктун кошулушу системадагы энергияны гана көбөйтөт. Ошентип, жылуулук алгандан кийин системадагы энергия өзгөрөт:
ΔU = Q
ΔU = 600 Дж
б) abc процессиндеги энергиянын өзгөрүшү
ab процесси = изохоралык процесс (туруктуу көлөм). ab процессинде системага 600 Дж жылуулук кошулат. Көлөм туруктуу болгондуктан, система эч кандай жумуш аткарбайт.
bc процесси = изобаралык процесс (туруктуу басым). bc процессинде системага 800 Джоуль жылуулук (Q) кошулат. Изобаралык процессте система жумуш аткара алат. bc процессинде (изобаралык процесс) система тарабынан аткарылган жумуштун көлөмү:
W = P (V2 – V1 ) — туруктуу басым
W = P2 ( V2 – V1 )
W = 4 x 10 5 Н/м2 ( 4 x 10 -3 м3 – 2 x 10 -3 м3 )
W = 4 x 10 5 Н/м2 ( 2 x 10 -3 м3 )
W = 8 x 10 2 Джоуль
W = 800 Джоуль
abc процессинде системага кошулган жалпы жылуулук:
Q жалпы суммасы = Q ab + Q bc
Q жалпы саны = 600 Дж + 800 Дж
Q жалпы = 1400 Джоуль
abc процессинде система тарабынан аткарылган жалпы жумуш:
Жалпы W = W ab + W bc
Жалпысынан W = 0 + W bc
Жалпы W = 0 + 800 Джоуль
Жалпысынан W = 800 Джоуль
abc = 600 Дж процессиндеги ички энергиянын өзгөрүшү
в) ADC процессине кошулган жалпы жылуулук
Системага кошулган жалпы жылуулукту төмөнкү теңдеме менен эсептеп алууга болот:
ΔU = Q – W
Q = ΔU + W
Процесске кошулган жалпы жылуулук adc = adcдеги ички энергиянын өзгөрүшү + процесстеги жумуш adc.
Жылуулук жана жумуш системалар менен айлана-чөйрөнүн ортосундагы энергия алмашууга катышат, ал эми ички энергиянын өзгөрүшү система менен айлана-чөйрөнүн ортосундагы энергия алмашуунун натыйжасы болуп саналат. Ошондуктан, энергиянын өзгөрүшү энергия алмашуу процессине көз каранды эмес. Башка жагынан алганда, жылуулук жана жумуш процесске көз каранды. Изохоралык процессте (туруктуу көлөм системасында) энергия алмашуу жылуулук түрүндө гана болот, ал эми жумуш эмес. Изобаралык процессте (туруктуу басым) энергия алмашуу жылуулук жана жумушту камтыйт. Процесске көз каранды болбосо да, энергия баштапкы абалына жана акыркы системанын абалына жараша өзгөрөт. Эгерде баштапкы жана акыркы абалдар бирдей болсо, энергиянын өзгөрүшү ар дайым бирдей болот, бирок процесс ар кандай болот.
Жогорудагы графиктеги abc процессинин баштапкы жана акыркы абалдары = adc процессинин баштапкы жана акыркы абалдары. Ошентип, adc процессинде ички энергиянын өзгөрүшү = 600 Дж.
адк процессинде аткарылган жалпы (W) жумуш = адк процессиндеги W + туруктуу ток процессиндеги W.
ад процесси изобаралык процесс (туруктуу басым), ал эми туруктуу ток процесси изохоралык процесс (туруктуу көлөм). Көлөм туруктуу болгондуктан, туруктуу ток процессинде эч кандай жумуш аткарылбайт. Биринчиден, биз ад процессинде аткарылган жумушту эсептейбиз.
W ad = P ( V2 ‐ V1 )
W ad = P 1 (V 2 ‐ V 1 )
W ad = 2 x 10 5 Н/м2 ( 4 x 10 ‐3 м 3 ‐ 2 x 10 ‐3 м 3 )
W ad = 2 x 10 5 Н /м2 ( 2 x 10 ‐3 м3 )
W ad = 4 x 10 2 Джоуль
W ad = 400 Джоуль
Жалпы W = a-d процессиндеги W + d-c процессиндеги W
Жалпы W = 400 Джоуль + 0
Жалпысынан W = 400 Джоуль
Ошентип, ADC процессине кошулган жылуулуктун көлөмү:
Q = ΔU + W
Q = 600 Дж + 400 Дж
Q = 1000 Дж
Суроо 3 :
1 литр суу 1 атм басымда кайнатылганда 1671 литр бууга айланат. Бууланганда суунун ички энергиясынын өзгөрүшүн жана аткарган жумушун эсептегиле... (Суунун буулануу жылуулугу = L V = 22.6 x 10 5 Дж/кг)
чечим
Суунун тыгыздыгы = 1000 кг/ м3
Суунун буулануу жылуулугу (L V ) = 22.6 x 105 Дж / кг
P = 1 атм = 1.013 x 10 5 Па = 1.013 x 10 5 Н/ м2
V 1 = 1 литр = 1 дм 3 = 1 x 10 -3 м 3 (Суунун көлөмү)
V 2 = 1671 литр = 1671 дм 3 = 1671 x 10 -3 м 3 (Буунун көлөмү)
а) Ички энергиянын өзгөрүшү
Ички энергиянын өзгөрүшү = Сууга кошулган жылуулуктан бууланганда суунун аткарган жумушу кемитилет. Биринчиден, сууга кошулган жылуулук (Q)…
Q = м L V
Суунун тыгыздыгы = суунун массасы / көлөмү
Суунун массасы (м) = суунун тыгыздыгы x суунун көлөмү
Суунун массасы (м) = (1000 кг/м3 ) ( 1 x 10 -3 м3 )
Суунун массасы (м) = (1000 кг/м3 ) (0.001 м3 )
Суунун массасы (м) = 1 кг
Q = (1 кг) (22.6 x 10 5 Дж / кг)
Q = 22.6 x 10 5 Дж
Суунун буулангандагы жумушун (Вт) эсептегиле. Суунун кайнашы туруктуу басымда жүрөт (изобаралык процесс).
W = p ( V2 – V1 )
W = 1.013 x 10 5 Н/м2 ( 1671 x 10 -3 м3 – 1 x 10 -3 м3 )
W = 1.013 x 10 5 Н/м2 ( 1670 x 10 -3 м3 )
W = 1691.71 x 105 Джоуль
W = 1.7 x 105 Джоуль
Суунун ички энергиясынын өзгөрүшү:
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
Сууга кошулган 21 x 10 5 Джоуль жылуулук ички энергияны көбөйтүү үчүн колдонулат (сууну суюк абалда кармап турган молекулалардын ортосундагы тартылуу күчтөрүн жеңүү). Башкача айтканда, 21 x 10 5 Дж сууну бууга айландыруу үчүн колдонулат. Суу бууга айланганда, калган 1.7 x 105 Дж жумуш аткарууга жумшалат.
Суроо 4 :
Цилиндрдеги 1 моль газ адиабаттык түрдө тез кеңейет. Башында газдын температурасы = 1000 К. Кеңейгенден кийин, газдын температурасы 500 К чейин төмөндөйт. Газдын аткарган жумушун аныктагыла...
чечим
Газдын кеңейиши адиабаттык түрдө жүрөт. Адиабаттык процессте системага жылуулук кирбейт жана чыкпайт. Ошентип, газда аткарылган жумуш = газдагы энергиянын өзгөрүшү.
ΔU = Q – W же W = Q – Δ U → Q = 0
W = 0 – ΔU
W = – ΔU
Идеалдуу газдагы энергиянын өзгөрүшүн энергия теңдемесин колдонуп эсептей алабыз:
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
Ошентип, газ аткарган жумуштун көлөмү:
W = – ΔU
W = – (- 6236.25 Дж)
W = 6236.25 Дж
