Articol Procese termodinamice: Izoterm Adiabatic Izocor Izobaric
Există patru procese termodinamice, și anume procese izoterme, izocoare, izobarice și adiabatice.
Proces izoterm (temperatură constantă)
Într-un proces izoterm, temperatura sistemului este menținută constantă. Teoretic, sistemul analizat este un gaz ideal. Temperatura gazului ideal este direct proporțională cu energia internă ideală a gazului (U = 3/2 n RT). T nu se modifică, deci nici U nu se modifică. Astfel, dacă este aplicată procesului izoterm, prima lege a ecuației termodinamice devine:
Δ U = Q – W
Energia internă nu se modifică, deci ΔU = 0.
0 = Q – W
Q = W
Pe baza acestei ecuații, în procesul izoterm (temperatură constantă), căldura (Q) adăugată sistemului este utilizată de acesta pentru a efectua lucru mecanic (W).
Modificarea presiunii și volumului sistemului în procesul izoterm este ilustrată de graficul de mai jos:
Volumul primului sistem = V1 (volum mic) și presiunea sistemului = P1 (presiune mare). Pentru ca temperatura sistemului să fie constantă, după ce se adaugă căldură sistemului, acesta se dilată și efectuează lucru mecanic asupra mediului. După ce sistemul efectuează lucru mecanic asupra mediului, volumul sistemului se modifică la V2 (volumul sistemului crește) și presiunea sistemului se modifică la P2 (scăderea presiunii în sistem). Forma graficului este curbată deoarece presiunea sistemului nu se modifică regulat în timpul procesului. Cantitatea de lucru mecanic efectuată de sistem = zona umbrită.
Procesul adiabatic
În procesul adiabatic, nicio căldură nu este adăugată sistemului și nu părăsește sistemul (Q = 0). Procesele adiabatice pot avea loc în sisteme închise bine izolate. Pentru un sistem închis bine izolat, de obicei nu există căldură care să curgă în sistem sau să părăsească sistemul. Procesele adiabatice pot avea loc și în sisteme închise care nu sunt izolate.
În acest caz, procesul trebuie efectuat rapid, astfel încât căldura să nu curgă în sistem sau să părăsească sistemul. Dacă este aplicată unui proces adiabatic, ecuația termodinamică de prima lege se va schimba:
Δ U = Q – W
Nu există căldură în și din sistem, deci Q = 0.
Δ U = 0 – W
Δ U = -W
Dacă sistemul este presat rapid (se efectuează lucru mecanic asupra sistemului), atunci lucrul mecanic este negativ. Deoarece W este negativ, atunci U este pozitiv (energia din sistem crește). Invers, dacă sistemul se extinde rapid (sistemul efectuează lucru mecanic), atunci W este pozitiv. Deoarece W este pozitiv, U este negativ (energia din sistem se reduce). Energia din sistem (gaz ideal) este proporțională cu temperatura (U = 3/2 n RT), prin urmare, dacă energia din sistem crește, atunci și temperatura sistemului crește. Invers, dacă energia din sistem se reduce, atunci temperatura sistemului scade.
Modificarea presiunii și volumului sistemului în procesul adiabatic este ilustrată de graficul de mai jos:
Curba adiabatică din acest grafic (curbele 1-2) este mai abruptă decât curba izotermă (curbele 1-3). Această diferență de abrupte arată că, pentru aceeași creștere a volumului, presiunea sistemului se reduce mai mult în procesul adiabatic decât în procesul izoterm. Presiunea sistemului scade mai mult în procesul adiabatic deoarece, atunci când are loc expansiunea adiabatică, scade și temperatura sistemului. Temperatura este proporțională cu presiunea, prin urmare, dacă temperatura sistemului scade, scade și presiunea sistemului. Spre deosebire de procesul izoterm, temperatura sistemului este întotdeauna constantă. Astfel, în procesul izoterm, temperatura nu influențează scăderea de presiune.
Un exemplu de proces adiabatic are loc într-un motor cu ardere internă, cum ar fi un motor diesel și un motor pe benzină. În motoarele diesel, aerul este introdus în cilindru, iar aerul din interiorul cilindrului este presat rapid cu ajutorul unui piston (lucrul mecanic se efectuează asupra aerului). Procesul de compresie adiabatică (reducerea volumului sistemului) este ilustrat de curba 2-1. Din cauza presiunii adiabatice rapide, temperatura crește rapid. În același timp, motorina este pulverizată în cilindru prin injector, iar amestecul este declanșat instantaneu. Într-un motor pe benzină, un amestec de aer și benzină este introdus în cilindru și apoi presat rapid cu ajutorul unui piston. Deoarece este împins rapid adiabatic, temperatura crește rapid. În același timp, bujiile se aprind, astfel încât are loc procesul de ardere.
Proces izochoric (volum constant)
În procesul izocor, volumul sistemului este menținut constant. Deoarece volumul sistemului este întotdeauna constant, sistemul nu poate lucra asupra mediului înconjurător. Nici mediul înconjurător nu poate efectua lucru mecanic asupra sistemului. Dacă este aplicată procesului izocor, prima lege a ecuației termodinamice se transformă în:
Δ U = Q – W
Sistemul nu funcționează asupra mediului, deci W = 0
Δ U = Q – 0
Δ U = Q
Din acest rezultat, putem concluziona că în procesul izocor (volum constant), căldura (Q) adăugată sistemului este utilizată pentru a crește energia din sistem. Modificările presiunii și volumului sistemului în procesul izocor sunt ilustrate de graficul de mai jos:
La început, presiunea sistemului = p1 ( presiune mică). Căldura suplimentară a sistemului determină creșterea energiei din sistem. Pe măsură ce energia din sistem crește, temperatura sistemului (gaz ideal) crește (U = 3/2 n RT). Temperatura este direct proporțională cu presiunea. Prin urmare, dacă temperatura sistemului crește, atunci presiunea sistemului crește (p2 ) . Datorită volumului constant al sistemului, nu se efectuează lucru mecanic (nu este umbrită zona).
În procesul izocor, sistemul nu poate efectua lucru mecanic asupra mediului. De asemenea, mediul nu poate efectua lucru mecanic asupra sistemului. Acest lucru se datorează faptului că, într-un proces izocor, volumul sistemului este întotdeauna constant. Există anumite tipuri de lucru mecanic care nu implică modificări de volum. Deci, chiar dacă volumul sistemului nu se modifică, lucrul mecanic poate fi totuși efectuat asupra sistemului. De exemplu, există un ventilator + o baterie într-un recipient închis. Ventilatorul se poate roti folosind energia bateriei. În acest caz, ventilatoarele, bateriile și aerul din interiorul recipientului sunt considerate sisteme.
Când ventilatorul se rotește, acesta efectuează un lucru mecanic, fiind prezent în recipient. În același timp, energia cinetică a ventilatorului se transformă în energie în aer. Energia electrică din baterie, desigur, este redusă deoarece și-a schimbat forma în energie în aer. Acest exemplu arată că în procesul izocor (volumul este întotdeauna constant), se poate efectua în continuare lucru mecanic asupra sistemului (lucruri mecanice care nu implică modificări de volum).
Proces izobaric (presiune constantă)
Într-un proces izobar, presiunea sistemului este menținută constantă. Deoarece presiunea este constantă, variația energiei interne ( Δ U), căldura (Q) și lucrul mecanic (W) în procesul izobar nu sunt zero. Prin urmare, formula primei legi a termodinamicii nu s-a modificat.
ΔU = Q−W
Modificările presiunii și volumului gazului în procesul izobar sunt ilustrate de graficul de mai jos:
În primul rând, volumul sistemului = V1 (volum mic). Deoarece presiunea este menținută constantă, după ce se adaugă căldură sistemului, acesta se dilată și efectuează lucru mecanic asupra mediului. După ce lucrează asupra mediului, volumul sistemului se modifică la V2 (creșterea volumului sistemului). Cantitatea de lucru mecanic (W) efectuată de sistem = zona umbrită.
Întrebare 1:
Curbele 1-2 din cele două diagrame de mai jos arată expansiunea gazului (creșterea volumului gazului) care are loc adiabatic și izoterm. În care proces, lucrul mecanic efectuat de gaz este mai mic?
Lucrul mecanic efectuat de gaze în procesul adiabatic este mai mic decât lucrul mecanic efectuat de gaze în procesul izoterm. Zona umbrită = lucrul mecanic efectuat de gaz în timpul procesului de expansiune (creșterea volumului gazului). Zona umbrită în procesul adiabatic este mai mică decât zona umbrită a procesului izoterm.
Întrebare 2:
Procesele termodinamice sunt prezentate în diagrama de mai jos. Curbele ab și dc = procese izocore (volum constant). Curbele bc și ad = proces izobar (presiune constantă). În procesul ab, se adaugă sistemului 600 Jouli de căldură (Q). În procesul bc, se adaugă sistemului 800 Jouli de căldură (Q).
a) Schimbări de energie în procesul ab
b) Variații de energie în procesul abc
c) Căldura totală adăugată procesului ADC
P1 = 2 x 10⁻⁵ Pa = 2 x 10⁻⁵ N / m2
P2 = 4 x 10⁻⁵ Pa = 4 x 10⁻⁵ N / m2
V₁ = 2 litri = 2 dm³ = 2 x 10⁻³ m³
V² = 4 litri = 2 dm³ = 4 x 10⁻³ m³
Soluţie
a) Modificări ale energiei interne în procesul ab
În procesul ab, se adaugă 600 J de căldură sistemului. Procesul ab = proces izocor (volum constant). În procesul izocor, adăugarea de căldură în sistem nu face decât să crească energia din sistem. Astfel, energia se modifică în sistem după ce primește căldură:
ΔU = Q
ΔU = 600 J
b) Variații de energie în procesul abc
Procesul ab = proces izocor (volum constant). În procesul ab, se adaugă 600 J de căldură sistemului. Datorită volumului constant, sistemul nu efectuează lucru mecanic.
Procesul bc = procesul izobar (presiune constantă). În procesul bc, se adaugă sistemului căldură (Q) de 800 Jouli. În procesul izobar, sistemul poate efectua lucru mecanic. Cantitatea de lucru mecanic efectuată de sistem în procesul bc (procesul izobar) este:
W = P (V² – V¹ ) — presiune constantă
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 10⁵ Joule
W = 800 Joule
Căldura totală adăugată sistemului în procesul abc este:
Q total = Q ab + Q bc
Q total = 600 J + 800 J
Q total = 1400 Jouli
Lucrul mecanic total efectuat de sistem în procesul abc este:
W total = W ab + W bc
W total = 0 + W bc
W total = 0 + 800 Joule
W total = 800 Joule
Modificări ale energiei interne în procesul abc = 600 J
c) Căldura totală adăugată procesului ADC
Căldura totală adăugată sistemului poate fi calculată cu ecuația de mai jos:
ΔU = Q – W
Q = ΔU + W
Căldura totală adăugată procesului adc = modificările energiei interne în adc + lucrul mecanic în proces adc.
Căldura și lucrul mecanic sunt implicate în transferul de energie între sisteme și mediu, în timp ce modificările interne ale energiei sunt rezultatul transferului de energie între sistem și mediu. Prin urmare, o modificare a energiei nu depinde de procesul de transfer de energie. Pe de altă parte, căldura și lucrul mecanic depind de proces. În procesul izocor (sistem cu volum constant), transferul de energie se face doar sub formă de căldură, în timp ce lucrul mecanic nu. În procesul izobar (presiune constantă), transferul de energie implică căldură și lucru mecanic. Deși nu depinde de proces, energia se modifică în funcție de starea inițială și de starea sistemului final. Dacă stările inițială și finală sunt aceleași, modificările de energie sunt întotdeauna aceleași, deși procesul este diferit.
Stările inițiale și finale pentru procesul abc din graficul de mai sus = stările inițiale și finale ale procesului adc. Astfel, variațiile de energie internă în procesul adc = 600 J.
Lucrul mecanic total (W) efectuat pe adc = W pe procesul ad + W pe procesul dc.
Procesul ad este un proces izobar (presiune constantă), în timp ce procesul dc este un proces izocor (volum constant). Datorită volumului constant, nu se efectuează lucru mecanic asupra procesului dc. Mai întâi, calculăm lucrul mecanic efectuat asupra procesului ad.
W ad = P ( V² - V¹ )
W ad = P 1 (V 2 ‐ V 1 )
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 10⁻³ m³ )
W ad = 4 x 10² Joule
W ad = 400 Joule
W total = W în procesul a-d + W în procesul d-c
W total = 400 Jouli + 0
W total = 400 Joule
Astfel, cantitatea de căldură adăugată procesului ADC este:
Q = ΔU + W
Q = 600 J + 400 J
Q = 1000 J
Întrebare 3:
1 litru de apă se transformă în 1671 litri de abur atunci când este fiert la o presiune de 1 atm. Calculați schimbarea energiei interne și lucrul mecanic efectuat de apă atunci când se evaporă ... (Căldura de vaporizare pentru apă = L V = 22.6 x 10 5 J/Kg)
Soluţie
Densitatea apei = 1000 kg/ m³
Căldura de vaporizare a apei (L V ) = 22.6 x 10 5 J / kg
P = 1 atm = 1.013 x 10⁻⁵ Pa = 1.013 x 10⁻⁵ N/ m²
V1 = 1 litru = 1 dm3 = 1 x 10⁻³ m3 (Volumul de apă )
V₂ = 1671 litri = 1671 dm³ = 1671 x 10⁻³ m³ (Volumul de abur )
a) Modificări ale energiei interne
Modificări ale energiei interne = Căldura adăugată apei minus lucrul mecanic efectuat de apă la evaporare. Prima numărare Căldura (Q) adăugată apei …
Q = m L V
Densitatea apei = masa apei / volumul apei
Masa apei (m²) = densitatea apei x volumul apei
Masa apei (m) = (1000 kg/m³ ) ( 1 x 10⁻³ m³ )
Masa apei (m) = (1000 kg/m³ ) (0.001 m³ )
Masa apei (m) = 1 kg
Q = (1 kg) (22.6 x 10⁵ J / kg)
Q = 22.6 x 10⁵ J
Calculați lucrul mecanic (W) efectuat de apă la evaporare. Fierberea apei are loc la presiune constantă (proces izobar).
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 10⁻⁴ Joule
W = 1.7 x 105 Jouli
Modificări ale energiei interne a apei:
ΔU = Q – W
ΔU = 22.6 x 10 5 J – 1.7 x 10 5 J
ΔU = 20.9 x 10⁻⁵ J
ΔU = 21 x 10⁻⁵ J
Căldura de 21 x 10⁵ Joule adăugată apei este utilizată pentru a crește energia internă (depășind forțele de tracțiune dintre moleculele care mențin apa fluidă). Cu alte cuvinte, 21 x 10⁵ J este utilizat pentru a converti apa în abur. Când apa s-a transformat în abur, restul de 1.7 x 10⁵ J este utilizat pentru a efectua lucru mecanic.
Întrebare 4:
1 mol de gaz dintr-un cilindru se dilată rapid adiabatic. La început, temperatura gazului = 1000 K. După dilatare, temperatura gazului scade la 500 K. Determinați lucrul mecanic efectuat de gaz …
Soluţie
Expansiunea gazului are loc adiabatic. În procesul adiabatic, nu intră și nu iese căldură din sistem. Astfel, lucrul mecanic efectuat în gaz = schimbările de energie în gaz.
ΔU = Q – W sau W = Q – ΔU → Q = 0
W = 0 – ΔU
W = – ΔU
Putem calcula schimbările de energie ale gazului folosind ecuația energiei în gazul ideal:
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
Astfel, lucrul mecanic efectuat de gaz este:
W = – ΔU
W = – (- 6236.25 J)
W = 6236.25 J
