Artiklu Proċessi termodinamiċi: Iżotermali Adjabatiċi Iżokoriki Iżobariċi
Hemm erba' proċessi termodinamiċi, jiġifieri proċessi iżotermali, iżokoriċi, iżobariċi u adiabatiċi.
Proċess Iżotermiku (temperatura kostanti)
Fi proċess iżotermiku, it-temperatura tas-sistema tinżamm kostanti. Teoretikament, is-sistema analizzata hija gass ideali. It-temperatura tal-gass ideali hija direttament proporzjonali għall-enerġija interna ideali tal-gass (U = 3/2 n RT). T ma tinbidilx, għalhekk U lanqas ma tinbidilx. Għalhekk, jekk tiġi applikata għall-proċess iżotermiku, l-ewwel liġi tal-ekwazzjoni termodinamika ssir:
Δ U = Q – W
L-enerġija interna ma tinbidilx, għalhekk Δ U = 0.
0 = Q – W
Q = W
Abbażi ta' din l-ekwazzjoni, fil-proċess iżotermiku (temperatura kostanti), is-sħana (Q) miżjuda mas-sistema tintuża mis-sistema biex twettaq xogħol (W).
Il-bidla fil-pressjoni u l-volum tas-sistema fil-proċess iżotermiku hija illustrata mill-graff t'hawn taħt:
L-ewwel volum tas-sistema = V1 (volum żgħir) u pressjoni tas-sistema = P1 (pressjoni kbira). Biex it-temperatura tas-sistema tkun kostanti, wara li tiżdied is-sħana mas-sistema, is-sistema tespandi u tagħmel xogħol fuq l-ambjent. Wara li s-sistema tagħmel xogħol fuq l-ambjent, il-volum tas-sistema jinbidel għal V2 (il-volum tas-sistema jiżdied) u l-pressjoni tas-sistema tinbidel għal P2 (tnaqqis fil-pressjoni tas-sistema). Il-forma tal-graff hija mgħawġa għaliex il-pressjoni tas-sistema ma tinbidilx regolarment matul il-proċess. L-ammont ta' xogħol magħmul mis-sistema = żona delljata.
Proċess Adjabatiku
Fil-proċess adjabatiku, l-ebda sħana ma tiżdied mas-sistema jew ma titlaq mis-sistema (Q = 0). Proċessi adjabatiċi jistgħu jseħħu f'sistemi magħluqa iżolati sew. Għal sistema magħluqa iżolata sew, ġeneralment ma jkun hemm l-ebda sħana li tidħol fis-sistema jew titlaq mis-sistema. Proċessi adjabatiċi jistgħu jseħħu wkoll f'sistemi magħluqa li mhumiex iżolati.
F'dan il-każ, il-proċess irid isir malajr sabiex is-sħana ma tiċċirkolax lejn is-sistema jew ma toħroġx mis-sistema. Jekk tiġi applikata għal proċess adjabatiku, l-ewwel liġi tal-ekwazzjoni termodinamika tinbidel:
Δ U = Q – W
Ma hemm l-ebda sħana ġewwa jew barra mis-sistema, għalhekk Q = 0.
Δ U = 0 – W
Δ U = -W
Jekk is-sistema tiġi ppressata malajr (ix-xogħol isir fuq is-sistema), allura x-xogħol ikun negattiv. Minħabba li W huwa negattiv, allura U hija pożittiva (l-enerġija fis-sistema tiżdied). Bil-maqlub, jekk is-sistema tespandi malajr (is-sistema tagħmel xogħol), allura W huwa pożittiv. Peress li W huwa pożittiv, U hija negattiva (l-enerġija fis-sistema titnaqqas). L-enerġija fis-sistema (gass ideali) hija proporzjonali għat-temperatura (U = 3/2 n RT), għalhekk jekk l-enerġija fis-sistema tiżdied allura t-temperatura tas-sistema tiżdied ukoll. Bil-maqlub, jekk l-enerġija fis-sistema titnaqqas, allura t-temperatura tas-sistema tonqos.
Il-bidla fil-pressjoni u l-volum tas-sistema fil-proċess adjabatiku hija illustrata mill-graff t'hawn taħt:
Il-kurva adjabatika f'dan il-graff (kurvi 1-2) hija aktar wieqfa mill-kurva iżotermika (kurvi 1-3). Din id-differenza fl-inklinazzjoni turi li għall-istess żieda fil-volum, il-pressjoni tas-sistema titnaqqas aktar fil-proċess adjabatiku milli fil-proċess iżotermik. Il-pressjoni tas-sistema tonqos aktar fil-proċess adjabatiku għaliex meta sseħħ espansjoni adjabatika, it-temperatura tas-sistema tonqos ukoll. It-temperatura hija proporzjonali għall-pressjoni, għalhekk jekk it-temperatura tas-sistema tinżel, il-pressjoni tas-sistema tonqos ukoll. B'kuntrast mal-proċess iżotermik, it-temperatura tas-sistema hija dejjem kostanti. Għalhekk, fil-proċess iżotermik, it-temperatura ma tinfluwenzax it-tnaqqis fil-pressjoni.
Eżempju wieħed ta' proċess adjabatiku jseħħ f'magna b'kombustjoni interna, bħal magna diesel u magna tal-gażolina. Fil-magni diesel, l-arja tiddaħħal fiċ-ċilindru, u l-arja ġewwa ċ-ċilindru tiġi ppressata malajr bl-użu ta' pistun (ix-xogħol isir fuq l-arja). Il-proċess ta' kompressjoni adjabatika (tnaqqis tal-volum tas-sistema) huwa illustrat mill-kurva 2-1. Minħabba l-pressjoni adjabatika rapida, it-temperatura tiżdied malajr. Fl-istess ħin, id-diżil jiġi sprejjat fiċ-ċilindru permezz tal-injettur, u t-taħlita tiġi attivata istantanjament. F'magna tal-gażolina, taħlita ta' arja u gażolina tiddaħħal fiċ-ċilindru u mbagħad tiġi ppressata malajr bl-użu ta' pistun. Minħabba li tiġi mbuttata malajr b'mod adjabatiku, it-temperatura tiżdied malajr. Fl-istess ħin, il-plakek tal-ispark jaqbdu sabiex iseħħ il-proċess tal-ħruq.
Proċess Iżokoriku (volum kostanti)
Fil-proċess iżokoriku, il-volum tas-sistema jinżamm kostanti. Peress li l-volum tas-sistema huwa dejjem kostanti, is-sistema ma tistax taħdem fuq l-ambjent. L-ambjent lanqas ma jista' jagħmel xogħol fuq is-sistema. Jekk tiġi applikata għall-proċess iżokoriku, l-ewwel liġi tal-ekwazzjoni termodinamika tinbidel fi:
Δ U = Q – W
Is-sistema ma taħdimx fuq l-ambjent, għalhekk W = 0
Δ U = Q – 0
ΔU = Q
Minn dan ir-riżultat, nistgħu nikkonkludu li fil-proċess iżokoriku (volum kostanti), is-sħana (Q) miżjuda mas-sistema tintuża biex iżżid l-enerġija fis-sistema. Il-bidliet fil-pressjoni u l-volum tas-sistema fil-proċess iżokoriku huma murija mill-graff hawn taħt:
Għall-ewwel, il-pressjoni tas-sistema = p1 ( pressjoni żgħira). Is-sħana addizzjonali tas-sistema tikkawża li l-enerġija fis-sistema tiżdied. Hekk kif l-enerġija fis-sistema tiżdied, it-temperatura tas-sistema (gass ideali) tiżdied (U = 3/2 n RT). It-temperatura hija direttament proporzjonali għall-pressjoni. Għalhekk, jekk it-temperatura tas-sistema tiżdied, allura l-pressjoni tas-sistema tiżdied (p2 ) . Minħabba l-volum kostanti tas-sistema, ma jsir l-ebda xogħol (l-ebda żona dellija).
Fil-proċess iżokoriku, is-sistema ma tistax tagħmel xogħol fuq l-ambjent. Bl-istess mod, l-ambjent ma jistax jagħmel xogħol fuq is-sistema. Dan għaliex, fi proċess iżokoriku, il-volum tas-sistema huwa dejjem kostanti. Hemm ċerti tipi ta' xogħol li ma jinvolvux bidliet fil-volum. Għalhekk, anke jekk il-volum tas-sistema ma jinbidilx, xorta jista' jsir xogħol fuq is-sistema. Pereżempju, hemm fann + batterija f'kontenitur magħluq. Il-fann jista' jdur bl-użu tal-enerġija mill-batterija. F'dan il-każ, il-fannijiet, il-batteriji, u l-arja ġewwa l-kontenitur huma kkunsidrati bħala sistemi.
Meta l-fann idur, il-fann jagħmel xogħol, u jkun preżenti fil-kontenitur. Fl-istess ħin, l-enerġija kinetika tal-fann tinbidel f'enerġija fl-arja. L-enerġija elettrika fil-batterija, naturalment, titnaqqas għax tkun biddlet il-forma tagħha f'enerġija fl-arja. Dan l-eżempju juri li fil-proċess iżokoriku (il-volum huwa dejjem kostanti), xorta jista' jsir xogħol fuq is-sistema (xogħol li ma jinvolvix bidliet fil-volum).
Proċess Iżobariku (pressjoni kostanti)
Fi proċess iżobariku, il-pressjoni tas-sistema tinżamm kostanti. Peress li l-pressjoni hija kostanti, il-bidla fl-enerġija interna ( Δ U), is-sħana (Q) u x-xogħol (W) fil-proċess iżobariku mhumiex żero. Għalhekk, il-formula tat-termodinamika tal-ewwel liġi ma nbidlitx.
ΔU = Q − W
Il-bidliet fil-pressjoni u l-volum tal-gass fil-proċess iżobariku huma murija mill-graff t'hawn taħt:
L-ewwel, il-volum tas-sistema = V1 (volum żgħir). Minħabba li l-pressjoni tinżamm kostanti, wara li tiżdied is-sħana mas-sistema, is-sistema tespandi u tagħmel xogħol fuq l-ambjent. Wara li taħdem fuq l-ambjent, il-volum tas-sistema jinbidel għal V2 (il-volum tas-sistema jiżdied). L-ammont ta' xogħol (W) magħmul mis-sistema = żona delljata.
Mistoqsija 1:
Il-kurvi 1-2 f'żewġ dijagrammi hawn taħt juru l-espansjoni tal-gass (żieda fil-volum tal-gass) li sseħħ b'mod adiabatiku u iżotermiku. F'liema proċess, ix-xogħol imwettaq mill-gass huwa iżgħar?
Ix-xogħol imwettaq mill-gassijiet fil-proċess adjabatiku huwa inqas mix-xogħol mill-gassijiet fil-proċess iżotermiku. Żona dellija = xogħol imwettaq mill-gass matul il-proċess ta' espansjoni (żieda fil-volum tal-gass). Iż-żona dellija fil-proċess adjabatiku hija inqas miż-żona dellija tal-proċess iżotermiku.
Mistoqsija 2:
Il-proċessi termodinamiċi huma murija fid-dijagramma t'hawn taħt. Il-kurvi ab u dc = proċessi iżokoriċi (volum kostanti). Il-kurvi bc u ad = proċess iżobariku (pressjoni kostanti). Fil-proċess ab, jiżdiedu 600 Joules tas-sħana (Q) mas-sistema. Fil-proċess bc, jiżdiedu 800 Joules tas-sħana (Q).
a) Bidliet fl-enerġija fil-proċess ab
b) Bidliet fl-enerġija fil-proċess abc
c) Is-sħana totali miżjuda mal-proċess tal-ADC
P1 = 2 x 105 Pa = 2 x 105 N / m2
P2 = 4 x 105 Pa = 4 x 105 N / m2
V 1 = 2 litri = 2 dm 3 = 2 x 10 -3 m 3
V2 = 4 litri = 2 dm3 = 4 x 10-3 m3
Soluzzjoni
a) Bidliet fl-enerġija interna fil-proċess ab
Fil-proċess ab, jiżdiedu 600 J ta' sħana mas-sistema. Il-proċess ab = proċess iżokoriku (volum kostanti). Fil-proċess iżokoriku, iż-żieda tas-sħana fis-sistema żżid biss l-enerġija fis-sistema. Għalhekk, l-enerġija tinbidel fis-sistema wara li tirċievi s-sħana:
ΔU = Q
ΔU = 600 J
b) Bidliet fl-enerġija fil-proċess abc
Proċess ab = proċess iżokoriku (volum kostanti). Fil-proċess ab, jiżdiedu 600 J ta' sħana mas-sistema. Minħabba l-volum kostanti, is-sistema ma tagħmel l-ebda xogħol.
Proċess bc = proċess iżobariku (pressjoni kostanti). Fil-proċess bc, tiżdied sħana (Q) ta' 800 Joules mas-sistema. Fil-proċess iżobariku, is-sistema tista' tagħmel xogħol. L-ammont ta' xogħol magħmul mis-sistema fil-proċess bc (proċess iżobariku) huwa:
W = P (V 2 – V 1 ) — pressjoni kostanti
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 10⁶ Joule
W = 800 Joule
Is-sħana totali miżjuda mas-sistema fil-proċess abc hija:
Q totali = Q ab + Q bc
Q totali = 600 J + 800 J
Q totali = 1400 Joules
Ix-xogħol totali mwettaq mis-sistema fil-proċess abc huwa:
W totali = W ab + W bc
W totali = 0 + W bc
W totali = 0 + 800 Joule
W totali = 800 Joule
Bidliet fl-enerġija interna fil-proċess abc = 600 J
c) Is-sħana totali miżjuda mal-proċess ADC
Is-sħana totali miżjuda mas-sistema tista' tiġi kkalkulata bl-ekwazzjoni t'hawn taħt:
ΔU = Q – W
Q = ΔU + W
Sħana totali miżjuda mal-proċess adc = bidliet fl-enerġija interna f'adc + xogħol fil-proċess adc.
Is-sħana u x-xogħol huma involuti fit-trasferiment tal-enerġija bejn is-sistemi u l-ambjent, filwaqt li l-bidliet interni fl-enerġija huma r-riżultat tat-trasferiment tal-enerġija bejn is-sistema u l-ambjent. Għalhekk, bidla fl-enerġija ma tiddependix fuq il-proċess tat-trasferiment tal-enerġija. Min-naħa l-oħra, is-sħana u x-xogħol jiddependu fuq il-proċess. Fil-proċess iżokoriku (sistema b'volum kostanti), it-trasferiment tal-enerġija huwa biss fil-forma ta' sħana, filwaqt li x-xogħol mhuwiex. Fil-proċess iżobariku (pressjoni kostanti), it-trasferiment tal-enerġija jinvolvi s-sħana u x-xogħol. Għalkemm mhux dipendenti fuq il-proċess, l-enerġija tinbidel skont l-istat inizjali u l-istat tas-sistema finali. Jekk l-istati inizjali u finali huma l-istess, il-bidliet fl-enerġija huma dejjem l-istess, għalkemm il-proċess huwa differenti.
Stati inizjali u finali għall-proċess abc fil-graff ta' hawn fuq = stati inizjali u finali tal-proċess adc. Għalhekk, l-enerġija interna tinbidel fil-proċess ta' adc = 600 J.
Xogħol totali (W) imwettaq fuq adc = W proċess fuq ad + W fuq proċess dc.
Il-proċess ad huwa proċess iżobariku (pressjoni kostanti), filwaqt li l-proċess dc huwa proċess iżokoriku (volum kostanti). Minħabba l-volum kostanti, ma jsir l-ebda xogħol fuq il-proċess dc. L-ewwel, nikkalkulaw ix-xogħol li jsir fuq il-proċess ad.
W ad = P (V 2 ‐ V 1 )
W ad = P 1 (V 2 ‐ V 1 )
W ad = 2 x 10 5 N/m 2 (4 x 10 ‐3 m 3 ‐ 2 x 10 ‐3 m 3 )
W ad = 2 x 105 N / m² ( 2 x 10‐3 m³ )
W ad = 4 x 10² Joule
W ad = 400 Joule
W totali = W fil-proċess a-d + W fil-proċess d-c
W totali = 400 Joules + 0
W totali = 400 Joule
Għalhekk, l-ammont ta' sħana miżjud mal-proċess ADC huwa:
Q = ΔU + W
Q = 600 J + 400 J
Q = 1000 J
Mistoqsija 3:
Litru ilma wieħed jinbidel f'1671 litru fwar meta jitgħalla bi pressjoni ta' 1 atm. Ikkalkula l-bidla fl-enerġija interna u x-xogħol li jsir mill-ilma meta jevapora ... (Sħana tal-vaporizzazzjoni għall-ilma = L V = 22.6 x 10 5 J/Kg)
Soluzzjoni
Densità tal-ilma = 1000 kg/ m³
Sħana tal-vaporizzazzjoni għall-ilma (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 litru = 1 dm 3 = 1 x 10 -3 m 3 (Volum tal-ilma)
V 2 = 1671 litru = 1671 dm 3 = 1671 x 10 -3 m 3 (Volum ta' fwar)
a) Bidliet fl-enerġija interna
Bidliet fl-enerġija interna = Sħana miżjuda mal-ilma nieqes ix-Xogħol magħmul mill-ilma meta jevapora. L-ewwel għadd Sħana (Q) miżjuda mal-ilma …
Q = m L V
Densità tal-ilma = massa tal-ilma / volum tal-ilma
Massa tal-ilma (m) = densità tal-ilma x volum tal-ilma
Massa tal-ilma (m) = (1000 kg/m³ ) ( 1 x 10-3 m³ )
Massa tal-ilma (m) = (1000 kg/m³ ) (0.001 m³ )
Massa tal-ilma (m) = 1 kg
Q = (1 kg) (22.6 x 105 J / kg)
Q = 22.6 x 105 J
Ikkalkula x-xogħol (W) li jsir mill-ilma meta jevapora. It-togħlija tal-ilma sseħħ bi pressjoni kostanti (proċess iżobariku).
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 102 Joule
W = 1.7 x 105 Joules
Bidliet fl-enerġija interna tal-ilma:
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
Is-sħana ta ' 21 x 10 5 Joule miżjuda mal-ilma tintuża biex iżżid l-enerġija interna (tegħleb il-forzi tat-tensjoni bejn il-molekuli li jżommu l-ilma fluwidu). Fi kliem ieħor, 21 x 10 5 J tintuża biex tikkonverti l-ilma f'fwar. Meta l-ilma jkun sar fwar, il-1.7 x 105 J li jifdal jintużaw biex jagħmlu xogħol.
Mistoqsija 4:
Mol wieħed ta' gass f'ċilindru jespandi malajr b'mod adjabatiku. Għall-ewwel, it-temperatura tal-gass = 1000 K. Wara li jespandi, it-temperatura tal-gass tonqos għal 500 K. Iddetermina x-xogħol li jsir mill-gass ...
Soluzzjoni
L-espansjoni tal-gass isseħħ b'mod adjabatiku. Fil-proċess adjabatiku, l-ebda sħana ma tidħol jew toħroġ mis-sistema. Għalhekk, ix-xogħol imwettaq fil-gass = l-enerġija tinbidel fil-gass.
ΔU = Q – W jew W = Q – Δ U → Q = 0
W = 0 – ΔU
W = – ΔU
Nistgħu nikkalkulaw il-bidliet fl-enerġija fil-gass billi nużaw l-ekwazzjoni tal-enerġija fil-gass ideali:
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
Għalhekk, l-ammont ta' xogħol li jagħmel il-gass huwa:
W = – ΔU
W = – (- 6236.25 J)
W = 6236.25 J
