Artikel Thermodynamesch Prozesser: Isotherm Adiabatesch Isochoresch Isobaresch
Et gi véier thermodynamesch Prozesser, nämlech isotherm, isochoresch, isobaresch an adiabatesch Prozesser.
Isotherme Prozess (konstant Temperatur)
An engem isotherme Prozess gëtt d'Systemtemperatur konstant gehalen. Theoretesch ass dat analyséiert System en ideal Gas. D'ideal Gastemperatur ass direkt proportional zu der idealer interner Gasenergie (U = 3/2 n RT). T ännert sech net, sou datt U sech och net ännert. Wann et also op den isotherme Prozess ugewannt gëtt, gëtt dat éischt Gesetz vun der thermodynamescher Equatioun:
ΔU = Q – W
Déi intern Energie ännert sech net, dofir ass ΔU = 0.
0 = Q – W
Q = W
Baséierend op dëser Equatioun gëtt am isotherme Prozess (konstant Temperatur) d'Hëtzt (Q), déi dem System bäigefüügt gëtt, vum System benotzt fir Aarbecht (W) auszeféieren.
D'Ännerung vum Drock a vum Volumen vum System am isotherme Prozess gëtt duerch déi folgend Grafik illustréiert:
Éischt Systemvolumen = V1 (klengt Volumen) an Systemdrock = P1 (groussen Drock). Fir datt d'Systemtemperatur konstant bleift, dehnt sech de System aus a mécht Aarbecht op d'Ëmwelt nodeems Hëtzt dem System bäigefüügt gouf. Nodeems de System op d'Ëmwelt geschafft huet, ännert sech de Systemvolumen op V2 (Systemvolumen klëmmt) an de Systemdrock ännert sech op P2 (Ofsenkung vum Systemdrock). D'Form vum Grafik ass gekrëmmt, well de Systemdrock sech net reegelméisseg während dem Prozess ännert. Quantitéit un Aarbecht, déi am System gemaach gëtt = schattierte Fläch.
Adiabatesche Prozess
Am adiabatesche Prozess gëtt keng Hëtzt an de System bäigefüügt oder verléisst de System (Q = 0). Adiabatesch Prozesser kënnen a gutt isoléierte geschlossene Systemer optrieden. Fir e gutt isoléiert geschlossene System fléisst normalerweis keng Hëtzt an de System oder verléisst de System. Adiabatesch Prozesser kënnen och a geschlossene Systemer optrieden, déi net isoléiert sinn.
An dësem Fall muss de Prozess séier gemaach ginn, sou datt keng Hëtzt an de System fléisst oder de System verléisst. Wann et op en adiabatesche Prozess ugewannt gëtt, ännert sech d'éischt Gesetz vun der thermodynamescher Equatioun:
ΔU = Q – W
Et ass keng Hëtzt am System eran oder eraus, dofir ass Q = 0.
ΔU = 0 – W
ΔU = -W
Wann de System séier gedréckt gëtt (et gëtt Aarbecht um System gemaach), dann ass d'Aarbecht negativ. Well W negativ ass, dann ass U positiv (d'Energie am System klëmmt). Am Géigendeel, wann de System sech séier ausdehnt (de System mécht Aarbecht), dann ass W positiv. Well W positiv ass, ass U negativ (d'Energie am System gëtt reduzéiert). D'Energie am System (idealt Gas) ass proportional zu der Temperatur (U = 3/2 n RT), dofir, wann d'Energie am System eropgeet, da klëmmt och d'Systemtemperatur. Am Géigendeel, wann d'Energie am System reduzéiert gëtt, da fällt d'Systemtemperatur.
D'Ännerung vum Systemdrock a Volumen am adiabatesche Prozess gëtt duerch déi folgend Grafik illustréiert:
Déi adiabatesch Kurve an dësem Grafik (Kurven 1-2) ass méi steil wéi déi isotherm Kurve (Kurven 1-3). Dësen Ënnerscheed an der Steilheet weist, datt bei der selwechter Volumenzounahm den Systemdrock am adiabatesche Prozess méi reduzéiert gëtt wéi am isotherme Prozess. Den Systemdrock hëlt am adiabatesche Prozess méi of, well wann eng adiabatesch Expansioun geschitt, och d'Systemtemperatur fällt. D'Temperatur ass proportional zum Drock, dofir fällt och den Systemdrock, wann d'Systemtemperatur fällt. Am Géigesaz zum isotherme Prozess ass d'Systemtemperatur ëmmer konstant. Dofir beaflosst d'Temperatur am isotherme Prozess den Drockoffall net.
Ee Beispill vun engem adiabatesche Prozess geschitt an engem Verbrennungsmotor, wéi zum Beispill engem Dieselmotor an engem Benzinmotor. Bei Dieselmotoren gëtt Loft an den Zylinder agefouert, an d'Loft am Zylinder gëtt séier mat engem Kolben gedréckt (d'Aarbecht gëtt op Loft gemaach). Den adiabatesche Kompressiounsprozess (Systemvolumenreduktioun) gëtt duerch d'Kurv 2-1 illustréiert. Wéinst dem schnelle adiabateschen Drock klëmmt d'Temperatur séier. Gläichzäiteg gëtt Diesel duerch den Injektor an den Zylinder gesprëtzt, an d'Mëschung gëtt direkt ausgeléist. An engem Benzinmotor gëtt eng Mëschung aus Loft a Benzin an den Zylinder agefouert an dann séier mat engem Kolben gedréckt. Well se séier adiabatesch gedréckt gëtt, klëmmt d'Temperatur séier. Gläichzäiteg zünden Zündkerzen un, sou datt de Verbrennungsprozess stattfënnt.
Isochoresche Prozess (konstant Volumen)
Am isochoresche Prozess gëtt de Systemvolumen konstant gehalen. Well de Systemvolumen ëmmer konstant ass, kann de System net op d'Ëmwelt schaffen. D'Ëmwelt kann och keng Aarbecht um System maachen. Wann et op den isochoresche Prozess ugewannt gëtt, ännert sech dat éischt Gesetz vun der thermodynamescher Equatioun an:
ΔU = Q – W
De System funktionéiert net op der Ëmwelt, dofir ass W = 0
ΔU = Q – 0
ΔU = Q
Aus dësem Resultat kënne mir schléissen, datt am isochoresche Prozess (konstant Volumen) d'Hëtzt (Q), déi dem System bäigefüügt gëtt, benotzt gëtt fir d'Energie am System ze erhéijen. Ännerungen am Systemdrock a Volumen am isochoresche Prozess ginn duerch déi folgend Grafik illustréiert:
Ufanks ass de Systemdrock = p1 ( klengen Drock). Déi zousätzlech Hëtzt vum System bewierkt, datt d'Energie am System eropgeet. Wann d'Energie am System eropgeet, klëmmt d'Systemtemperatur (Idealgas) (U = 3/2 n RT). D'Temperatur ass direkt proportional zum Drock. Dofir, wann d'Systemtemperatur eropgeet, klëmmt de Systemdrock (p2 ) . Wéinst dem konstante Systemvolumen gëtt keng Aarbecht gemaach (kee schatteierten Deel).
Am isochoresche Prozess kann de System keng Aarbecht op d'Ëmwelt maachen. Och d'Ëmwelt kann keng Aarbecht um System maachen. Dëst läit dorun, datt an engem isochoresche Prozess de Systemvolumen ëmmer konstant ass. Et gëtt verschidden Aarte vun Aarbecht, déi keng Volumenännerungen involvéieren. Och wann de Volume vum System sech net ännert, kann Aarbecht um System gemaach ginn. Zum Beispill gëtt et e Ventilator + Batterie an engem zouenen Behälter. De Ventilator kann sech mat Energie vun der Batterie rotéieren. An dësem Fall ginn Ventilatoren, Batterien a Loft am Behälter als Systemer ugesinn.
Wann de Ventilator sech dréit, mécht de Ventilator Aarbecht, andeems en am Behälter präsent ass. Gläichzäiteg gëtt déi kinetesch Energie vum Ventilator an Energie an der Loft ëmgewandelt. D'elektresch Energie an der Batterie gëtt natierlech reduzéiert, well se hir Form an Energie an der Loft geännert huet. Dëst Beispill weist, datt am isochoresche Prozess (de Volumen ass ëmmer konstant) Aarbecht um System nach ëmmer gemaach ka ginn (Aarbecht, déi keng Volumenännerungen enthält).
Isobare Prozess (konstanten Drock)
An engem isobare Prozess gëtt den Drock am System konstant gehalen. Well den Drock konstant ass, sinn déi intern Energieännerung ( ΔU ), d'Hëtzt (Q) an d'Aarbecht (W) am isobare Prozess net null. Dofir huet sech d'Formel vun der éischter Thermodynamik net geännert.
ΔU = Q-W
Ännerungen am Drock a Gasvolumen am isobare Prozess ginn duerch déi folgend Grafik illustréiert:
Éischtens, Systemvolumen = V1 (klengt Volumen). Well den Drock konstant gehale gëtt, dehnt sech de System aus a mécht Aarbecht op d'Ëmwelt nodeems Hëtzt an de System bäigefüügt gouf. Nodeems d'Ëmwelt bearbecht gouf, ännert sech de Systemvolumen op V2 (Zouhuele vum Systemvolumen). Aarbechtsmenge (W) vum System = schattierte Fläch.
Fro 1:
D'Kurven 1-2 an zwou Diagrammer hei ënnendrënner weisen d'Gasexpansioun (Gasvolumenzounahm), déi adiabatesch an isotherm geschitt. A wéi engem Prozess ass d'Aarbecht, déi vum Gas geleescht gëtt, méi kleng?
D'Aarbecht, déi vu Gasen am adiabatesche Prozess geleescht gëtt, ass manner wéi d'Aarbecht vun de Gasen am isotherme Prozess. D'schattéiert Fläch = d'Aarbecht, déi vum Gas während dem Expansiounsprozess geleescht gëtt (Zouhuele vum Gasvolumen). Déi schattéiert Fläch am adiabatesche Prozess ass méi kleng wéi déi schattéiert Fläch vum isotherme Prozess.
Fro 2:
Thermodynamesch Prozesser sinn am Diagramm hei ënnendrënner gewisen. D'Kurven ab an dc = isochoresch Prozesser (konstant Volumen). D'Kurve bc an ad = isobare Prozess (konstant Drock). Am ab-Prozess gëtt 600 Joule Hëtzt (Q) an de System bäigefüügt. Am bc-Prozess gëtt 800 Joule Hëtzt (Q) an de System bäigefüügt.
a) Energieännerungen am ab Prozess
b) Energieännerungen am abc-Prozess
c) Gesamt Hëtzt, déi dem ADC-Prozess bäigefüügt gëtt
P² = 2 x 10⁻⁶ Pa = 2 x 10⁻⁶ N / m²
P² = 4 x 10⁻⁶ Pa = 4 x 10⁻⁶ N / m²
V1 = 2 Liter = 2 dm3 = 2 x 10-3 m3
V² = 4 Liter = 2 dm³ = 4 x 10⁻³ m³
Léisung
a) Intern Energieännerungen am Bauchprozess
Am Prozess ab gëtt 600 J Hëtzt an de System bäigefüügt. Prozess ab = isochoresche Prozess (konstant Volumen). Am isochoresche Prozess erhéicht d'Zousätzlech vun Hëtzt am System nëmmen d'Energie am System. Dofir ännert sech d'Energie am System nodeems d'Hëtzt empfaange gouf:
ΔU = Q
ΔU = 600 J
b) Energieännerungen am abc-Prozess
Prozess ab = isochoresche Prozess (konstant Volumen). Am ab-Prozess gëtt 600 J Hëtzt dem System bäigefüügt. Wéinst dem konstante Volumen gëtt keng Aarbecht vum System gemaach.
Prozess bc = isobare Prozess (konstante Drock). Am bc-Prozess gëtt Hëtzt (Q) 800 Joule dem System bäigefüügt. Am isobare Prozess kann de System Aarbecht maachen. D'Quantitéit un Aarbecht, déi vum System am bc-Prozess (isobare Prozess) gemaach gëtt, ass:
W = P (V² – V¹ ) — konstanten Drock
W = P² ( V² – V¹ )
B = 4 x 10⁻⁶ N / m² ( 4 x 10⁻³ m³ – 2 x 10⁻³ m³ )
B = 4 x 10⁻¹ N / m² ( 2 x 10⁻¹ m³ )
W = 8 x 10² Joule
W = 800 Joule
Déi total Hëtzt, déi am ABC-Prozess dem System bäigefüügt gëtt, ass:
Q total = Q ab + Q bc
Q Gesamt = 600 J + 800 J
Q Gesamt = 1400 Joule
Déi total Aarbecht, déi vum System am abc-Prozess gemaach gëtt, ass:
W total = W ab + W bc
W Gesamt = 0 + W bc
W Gesamt = 0 + 800 Joule
W insgesamt = 800 Joule
Intern Energieännerungen am Prozess abc = 600 J
c) Gesamt Hëtzt, déi dem ADC-Prozess bäigefüügt gëtt
Déi total Hëtzt, déi dem System bäigefüügt gëtt, kann mat der folgender Equatioun berechent ginn:
ΔU = Q – W
Q = ΔU + W
Total Hëtzt, déi dem Prozess-ADC bäigefüügt gëtt = intern Energieännerungen am ADC + Aarbecht am Prozess-ADC.
Hëtzt an Aarbecht si beim Energietransfer tëscht Systemer an der Ëmwelt involvéiert, während intern Energieännerungen d'Resultat vum Energietransfer tëscht System an Ëmwelt sinn. Dofir hänkt eng Ännerung vun der Energie net vum Prozess vum Energietransfer of. Op der anerer Säit hänken Hëtzt an Aarbecht vum Prozess of. Am isochoresche Prozess (System mat konstantem Volumen) ass den Energietransfer nëmmen a Form vun Hëtzt, während d'Aarbecht dat net ass. Am isobare Prozess (System mat konstantem Drock) ëmfaasst den Energietransfer Hëtzt an Aarbecht. Och wann et net vum Prozess ofhänkt, ännert sech d'Energie jee no dem Ufankszoustand an dem Zoustand vum Endsystem. Wann den Ufanks- an den Endzoustand d'selwecht sinn, sinn d'Ännerungen an der Energie ëmmer déiselwecht, och wann de Prozess anescht ass.
Ufanks- an Schlusszoustänn fir den abc-Prozess am Grafik uewen = Ufanks- an Schlusszoustänn vum adc-Prozess. Dofir ännert sech déi bannenzeg Energie am adc-Prozess = 600 J.
Total (W) Aarbecht um ADC = W Prozess um AD + W um DC Prozess.
Den AD-Prozess ass en isobare Prozess (konstante Drock), während den DC-Prozess en isochoresche Prozess (konstante Volumen) ass. Wéinst dem konstante Volumen gëtt keng Aarbecht um DC-Prozess gemaach. Als éischt berechnen mir d'Aarbecht, déi um AD-Prozess gemaach gëtt.
W = P ( V2 - V1 )
W ad = P1 ( V2 - V1 )
W = 2 x 10⁻⁶ N / m² ( 4 x 10⁻⁴ m³ - 2 x 10⁻⁴ m³ )
W = 2 x 10⁻⁶ N /m² ( 2 x 10⁻⁶ - 3 m³ )
W = 4 x 10² Joule
W = 400 Joule
W total = W am Prozess a-d + W am Prozess d-c
W Gesamt = 400 Joule + 0
W insgesamt = 400 Joule
Dofir ass d'Quantitéit un Hëtzt, déi dem ADC-Prozess bäigefüügt gëtt:
Q = ΔU + W
Q = 600 J + 400 J
Q = 1000 J
Fro 3:
1 Liter Waasser gëtt zu 1671 Liter Damp wann et bei 1 atm Drock gekacht gëtt. Berechent d'Ännerung vun der interner Energie an der Aarbecht, déi vum Waasser gemaach gëtt, wann et verdampft ... (Verdampfungswärme fir Waasser = L V = 22.6 x 10 5 J/Kg)
Léisung
Waasserdicht = 1000 kg/ m³
Verdampfungswärme fir Waasser (L₂V ) = 22.6 x 10⁻⁶ J / kg
P = 1 atm = 1.013 x 10⁻⁶ Pa = 1.013 x 10⁻⁶ N/ m²
V1 = 1 Liter = 1 dm3 = 1 x 10-3 m3 (Waasservolumen )
V2 = 1671 Liter = 1671 dm3 = 1671 x 10-3 m3 ( Dampvolumen )
a) Ännerungen an der interner Energie
Ännerungen an der interner Energie = Hëtzt, déi dem Waasser bäigefüügt gëtt, minus d'Aarbecht, déi vum Waasser beim Verdampfung gemaach gëtt. Éischt Zielen Hëtzt (Q, déi dem Waasser bäigefüügt gëtt ...
Q = m L V
Waasserdicht = Waassermass / Volumen vum Waasser
Waassermass (m) = Waasserdicht x Waasservolumen
Waassermass (m) = (1000 kg/m³ ) ( 1 x 10⁻³ m³ )
Waassermass (m) = (1000 kg/m³ ) (0.001 m³ )
Waassermass (m²) = 1 kg
Q = (1 kg) (22.6 x 10^ 5 J / kg)
Q = 22.6 x 10⁻⁶ J
Berechent d'Aarbecht (W) vum Waasser beim Verdampfung. D'Kachen vu Waasser geschitt bei konstantem Drock (isobare Prozess).
W = p ( V2 – V1 )
B = 1.013 x 10⁻¹ N / m² ( 1671 x 10⁻¹ m³ – 1 x 10⁻¹ m³ )
B = 1.013 x 10⁻¹ N / m² ( 1670 x 10⁻¹ m³ )
W = 1691.71 x 102 Joule
W = 1.7 x 105 Joule
Ännerungen an der interner Energie vum Waasser:
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
21 x 105 Joule Hëtzt, déi dem Waasser bäigefüügt gëtt, gëtt benotzt fir d'intern Energie ze erhéijen (d'Zuchkräfte tëscht de Molekülen ze iwwerwannen, déi d'Waasser flësseg halen). An anere Wierder, 21 x 105 J gëtt benotzt fir Waasser an Damp ëmzewandelen. Wann Waasser zu Damp ginn ass, ginn déi reschtlech 1.7 x 105 J benotzt fir Aarbecht ze maachen.
Fro 4:
1 Mol Gas an engem Zylinder dehnt sech séier adiabatesch aus. Ufanks ass d'Gastemperatur = 1000 K. Nom Ausdehnen fällt d'Gastemperatur op 500 K. Bestëmmt d'Aarbecht, déi vum Gas gemaach gëtt ...
Léisung
Gasexpansioun geschitt adiabatesch. Am adiabatesche Prozess kënnt keng Hëtzt an de System eran oder eraus. Dofir ass d'Aarbecht, déi am Gas gemaach gëtt, = d'Energieännerung am Gas.
ΔU = Q – W oder W = Q – ΔU → Q = 0
W = 0 – ΔU
W = – ΔU
Mir kënnen d'Energieännerungen am Gas mat der Energiegläichung am ideale Gas berechnen:
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
Dofir ass d'Aarbechtsquantitéit, déi vum Gas ausgefouert gëtt:
W = – ΔU
W = – (- 6236.25 J)
W = 6236.25 J
