Proceset termodinamike: Izotermale Adiabatike Izokorike Izobarike
Ekzistojnë katër procese termodinamike, përkatësisht procese izotermike, izokorike, izobarike dhe adiabatike.
Procesi izotermal (temperaturë konstante)
Në një proces izotermik, temperatura e sistemit mbahet konstante. Teorikisht, sistemi i analizuar është një gaz ideal. Temperatura e gazit ideal është drejtpërdrejt proporcionale me energjinë e brendshme ideale të gazit (U = 3/2 n RT). T nuk ndryshon, kështu që edhe U nuk ndryshon. Kështu, nëse zbatohet në procesin izotermik, ligji i parë i ekuacionit termodinamik bëhet:
Δ U = Q – W
Energjia e brendshme nuk ndryshon, kështu që Δ U = 0.
0 = Q – W
Q = W
Bazuar në këtë ekuacion, në procesin izotermik (temperaturë konstante), nxehtësia (Q) e shtuar në sistem përdoret nga sistemi për të kryer punë (W).
Ndryshimi në presion dhe vëllim të sistemit në procesin izotermik ilustrohet nga grafiku më poshtë:
Vëllimi i parë i sistemit = V1 (vëllim i vogël) dhe presioni i sistemit = P1 (presion i madh). Që temperatura e sistemit të jetë konstante, atëherë pasi t'i shtohet nxehtësi sistemit, sistemi zgjerohet dhe kryen punë në mjedis. Pasi sistemi kryen punë në mjedis, vëllimi i sistemit ndryshon në V2 (vëllimi i sistemit rritet) dhe presioni i sistemit ndryshon në P2 (ulje e presionit të sistemit). Forma e grafikut është e lakuar sepse presioni i sistemit nuk ndryshon rregullisht gjatë procesit. Sasia e punës së kryer në sistem = zona e hijezuar.
Procesi Adiabatik
Në procesin adiabatik, nuk shtohet nxehtësi në sistem dhe nuk del nga sistemi (Q = 0). Proceset adiabatike mund të ndodhin në sisteme të mbyllura të izoluara mirë. Për një sistem të mbyllur të izoluar mirë, zakonisht nuk ka nxehtësi që rrjedh në sistem ose del nga sistemi. Proceset adiabatike mund të ndodhin edhe në sisteme të mbyllura që nuk janë të izoluara.
Në këtë rast, procesi duhet të bëhet me shpejtësi në mënyrë që nxehtësia të mos rrjedhë në sistem ose të mos largohet nga sistemi. Nëse zbatohet në një proces adiabatik, ligji i parë i ekuacionit termodinamik do të ndryshojë:
Δ U = Q – W
Nuk ka nxehtësi brenda ose jashtë sistemit, kështu që Q = 0.
Δ U = 0 – W
Δ U = -W
Nëse sistemi shtypet shpejt (puna kryhet në sistem), atëherë puna është negative. Meqenëse W është negative, atëherë U është pozitive (energjia në sistem rritet). Anasjelltas, nëse sistemi zgjerohet shpejt (sistemi kryen punë), atëherë W është pozitive. Meqenëse W është pozitive, U është negative (energjia në sistem zvogëlohet). Energjia në sistem (gaz ideal) është proporcionale me temperaturën (U = 3/2 n RT), prandaj nëse energjia në sistem rritet, atëherë edhe temperatura e sistemit rritet. Anasjelltas, nëse energjia në sistem zvogëlohet, atëherë temperatura e sistemit ulet.
Ndryshimi në presionin dhe vëllimin e sistemit në procesin adiabatik ilustrohet nga grafiku më poshtë:
Kurba adiabatike në këtë grafik (kurbat 1-2) është më e pjerrët se kurba izotermike (kurbat 1-3). Ky ndryshim pjerrësie tregon se për të njëjtën rritje të vëllimit, presioni i sistemit zvogëlohet më shumë në procesin adiabatik sesa në procesin izotermik. Presioni i sistemit zvogëlohet më shumë në procesin adiabatik sepse kur ndodh zgjerimi adiabatik, temperatura e sistemit ulet gjithashtu. Temperatura është proporcionale me presionin, prandaj nëse temperatura e sistemit bie, edhe presioni i sistemit ulet. Në ndryshim nga procesi izotermik, temperatura e sistemit është gjithmonë konstante. Kështu, në procesin izotermik, temperatura nuk ndikon në rënien e presionit.
Një shembull i një procesi adiabatik ndodh në një motor me djegie të brendshme, siç është një motor nafte dhe një motor benzine. Në motorët me naftë, ajri futet në cilindër dhe ajri brenda cilindrit shtypet shpejt duke përdorur një piston (puna kryhet në ajër). Procesi i kompresimit adiabatik (zvogëlimi i vëllimit të sistemit) ilustrohet nga kurba 2-1. Për shkak të presionit të shpejtë adiabatik, temperatura rritet me shpejtësi. Në të njëjtën kohë, nafta spërkatet në cilindër përmes injektorit dhe përzierja aktivizohet menjëherë. Në një motor benzine, një përzierje ajri dhe benzine futet në cilindër dhe më pas shtypet shpejt duke përdorur një piston. Meqenëse shtyhet me shpejtësi në mënyrë adiabatike, temperatura rritet shpejt. Në të njëjtën kohë, kandelat ndizen në mënyrë që të ndodhë procesi i djegies.
Procesi izokorik (vëllim konstant)
Në procesin izokorik, vëllimi i sistemit mbahet konstant. Meqenëse vëllimi i sistemit është gjithmonë konstant, sistemi nuk mund të punojë në mjedis. Mjedisi gjithashtu nuk mund të kryejë punë në sistem. Nëse zbatohet në procesin izokorik, ligji i parë i ekuacionit termodinamik ndryshon në:
Δ U = Q – W
Sistemi nuk funksionon në mjedis, kështu që W = 0
Δ U = Q – 0
Δ U = Q
Nga ky rezultat, mund të konkludojmë se në procesin izokorik (vëllim konstant), nxehtësia (Q) e shtuar në sistem përdoret për të rritur energjinë në sistem. Ndryshimet në presionin dhe vëllimin e sistemit në procesin izokorik ilustrohen nga grafiku më poshtë:
Në fillim, presioni i sistemit = p1 ( presion i vogël). Nxehtësia shtesë e sistemit shkakton rritjen e energjisë në sistem. Ndërsa energjia në sistem rritet, temperatura e sistemit (gazi ideal) rritet (U = 3/2 n RT). Temperatura është drejtpërdrejt proporcionale me presionin. Prandaj, nëse temperatura e sistemit rritet, atëherë edhe presioni i sistemit rritet (p2 ) . Për shkak të vëllimit konstant të sistemit, nuk kryhet punë (nuk ka zonë të hijëzuar).
Në procesin izokorik, sistemi nuk mund të kryejë punë në mjedis. Po kështu, mjedisi nuk mund të kryejë punë në sistem. Kjo ndodh sepse, në një proces izokorik, vëllimi i sistemit është gjithmonë konstant. Ekzistojnë lloje të caktuara pune që nuk përfshijnë ndryshime të vëllimit. Pra, edhe pse vëllimi i sistemit nuk ndryshon, prapëseprapë mund të kryhet punë në sistem. Për shembull, ekziston një ventilator + bateri në një enë të mbyllur. Ventilatori mund të rrotullohet duke përdorur energjinë e baterisë. Në këtë rast, ventilatorët, bateritë dhe ajri brenda enës konsiderohen si sisteme.
Kur ventilatori rrotullohet, ai kryen punë, duke qenë i pranishëm në enë. Në të njëjtën kohë, energjia kinetike e ventilatorit shndërrohet në energji në ajër. Energjia elektrike në bateri, sigurisht, zvogëlohet sepse ka ndryshuar formë në energji në ajër. Ky shembull tregon se në procesin izokorik (vëllimi është gjithmonë konstant), në sistem mund të kryhet ende punë (punë që nuk përfshin ndryshime të vëllimit).
Procesi izobarik (presion konstant)
Në një proces izobarik, presioni i sistemit mbahet konstant. Meqenëse presioni është konstant, ndryshimi i energjisë së brendshme ( Δ U), nxehtësia (Q) dhe puna (W) në procesin izobarik nuk janë zero. Kështu, formula e termodinamikës së ligjit të parë nuk ka ndryshuar.
ΔU = Q−W
Ndryshimet në presion dhe vëllim të gazit në procesin izobarik ilustrohen nga grafiku më poshtë:
Së pari, vëllimi i sistemit = V1 (vëllim i vogël). Meqenëse presioni mbahet konstant, pasi sistemit i shtohet nxehtësi, sistemi zgjerohet dhe kryen punë në mjedis. Pas punës në mjedis, vëllimi i sistemit ndryshon në V2 (rritje e vëllimit të sistemit). Sasia e punës së kryer (W) në sistem = zona e hijezuar.
Pyetja 1:
Kurbat 1-2 në dy diagramet më poshtë tregojnë zgjerimin e gazit (rritje të vëllimit të gazit) që ndodh në mënyrë adiabatike dhe izotermike. Në cilin proces, puna e kryer nga gazi është më e vogël?
Puna e kryer nga gazrat në procesin adiabatik është më e vogël se puna e kryer nga gazrat në procesin izotermik. Sipërfaqja e hijezuar = puna e kryer nga gazi gjatë procesit të zgjerimit (rritje e vëllimit të gazit). Sipërfaqja e hijezuar në procesin adiabatik është më e vogël se sipërfaqja e hijezuar e procesit izotermik.
Pyetja 2:
Proceset termodinamike tregohen në diagramin më poshtë. Kurbat ab dhe dc = procese izokorike (vëllim konstant). Kurbat bc dhe ad = proces izobarik (presion konstant). Në procesin ab, sistemit i shtohet nxehtësi (Q) 600 Xhulë. Në procesin bc, sistemit i shtohet nxehtësi (Q) 800 Xhulë.
a) Ndryshimet e energjisë në procesin ab
b) Ndryshimet e energjisë në procesin abc
c) Nxehtësia totale e shtuar në procesin ADC
P1 = 2 x 105 Pa = 2 x 105 N / m2
P2 = 4 x 105 Pa = 4 x 105 N / m2
V 1 = 2 litra = 2 dm 3 = 2 x 10 -3 m 3
V2 = 4 litra = 2 dm3 = 4 x 10 -3 m3
Zgjidhje
a) Ndryshimet e energjisë së brendshme në procesin ab
Në procesin ab, sistemit i shtohen 600 J nxehtësi. Procesi ab = proces izokorik (vëllim konstant). Në procesin izokorik, shtimi i nxehtësisë në sistem vetëm rrit energjinë në sistem. Kështu, energjia ndryshon në sistem pas marrjes së nxehtësisë:
ΔU = Q
ΔU = 600 J
b) Ndryshimet e energjisë në procesin abc
Procesi ab = proces izokorik (vëllim konstant). Në procesin ab, sistemit i shtohen 600 J nxehtësi. Për shkak të vëllimit konstant, sistemi nuk kryen punë.
Procesi bc = proces izobarik (presion konstant). Në procesin bc, sistemit i shtohet nxehtësi (Q) 800 Xhoul. Në procesin izobarik, sistemi mund të kryejë punë. Sasia e punës së kryer nga sistemi në procesin bc (proces izobarik) është:
W = P (V2 – V1 ) — presion konstant
W = P2 ( V2 – V1 )
W = 4 x 10 5 N/m 2 (4 x 10 -3 m 3 – 2 x 10 -3 m 3 )
W = 4 x 105 N / m2 ( 2 x 10-3 m3 )
W = 8 x 10 2 Xhaul
W = 800 Xhaul
Nxehtësia totale e shtuar në sistem në procesin abc është:
Totali i Q = Q ab + Q bc
Totali Q = 600 J + 800 J
Totali Q = 1400 Xhaul
Puna totale e kryer nga sistemi në procesin abc është:
W total = W ab + W bc
W total = 0 + W bc
Totali W = 0 + 800 Xhaul
W total = 800 Xhaul
Ndryshimet e energjisë së brendshme në procesin abc = 600 J
c) Nxehtësia totale e shtuar në procesin ADC
Nxehtësia totale e shtuar në sistem mund të llogaritet me ekuacionin e mëposhtëm:
ΔU = Q – W
Q = ΔU + W
Nxehtësia totale e shtuar në proces adc = ndryshimet e energjisë së brendshme në adc + puna në proces adc.
Nxehtësia dhe puna janë të përfshira në transferimin e energjisë midis sistemeve dhe mjedisit, ndërsa ndryshimet e brendshme të energjisë janë rezultat i transferimit të energjisë midis sistemit dhe mjedisit. Prandaj, një ndryshim në energji nuk varet nga procesi i transferimit të energjisë. Nga ana tjetër, nxehtësia dhe puna varen nga procesi. Në procesin izokorik (sistem me vëllim konstant), transferimi i energjisë është vetëm në formën e nxehtësisë, ndërsa puna jo. Në procesin izobari (presion konstant), transferimi i energjisë përfshin nxehtësinë dhe punën. Edhe pse nuk varet nga procesi, energjia ndryshon në varësi të gjendjes fillestare dhe gjendjes së sistemit përfundimtar. Nëse gjendjet fillestare dhe përfundimtare janë të njëjta, ndryshimet në energji janë gjithmonë të njëjta, megjithëse procesi është i ndryshëm.
Gjendjet fillestare dhe përfundimtare për procesin abc në grafikun e mësipërm = gjendjet fillestare dhe përfundimtare të procesit adc. Kështu, energjia e brendshme ndryshon në procesin e adc = 600 J.
Puna totale (W) e kryer në adc = W proces në ad + W në proces dc.
Procesi ad është një proces izobarik (presion konstant), ndërsa procesi dc është një proces izokorik (vëllim konstant). Për shkak të vëllimit konstant, nuk kryhet punë në procesin dc. Së pari, llogarisim punën e kryer në procesin ad.
W ad = P ( V2 - V1 )
W ad = P1 ( V2 - V1 )
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 10 2 Xhaul
W ad = 400 Xhaul
W total = W në procesin a-d + W në procesin d-c
Totali W = 400 Xhaul + 0
W total = 400 Xhaul
Kështu, sasia e nxehtësisë së shtuar në procesin ADC është:
Q = ΔU + W
Q = 600 J + 400 J
Q = 1000 J
Pyetja 3:
1 litër ujë shndërrohet në 1671 litra avull kur zihet në presion prej 1 atm. Llogaritni ndryshimin e energjisë së brendshme dhe punën e kryer nga uji kur avullon … (Nxehtësia e avullimit për ujin = L V = 22.6 x 10 5 J/Kg)
Zgjidhje
Dendësia e ujit = 1000 kg/ m3
Nxehtësia e avullimit për ujin (L V ) = 22.6 x 105 J / Kg
P = 1 atm = 1.013 x 105 Pa = 1.013 x 105 N/ m2
V 1 = 1 litër = 1 dm 3 = 1 x 10 -3 m 3 (Vëllimi i ujit)
V 2 = 1671 litra = 1671 dm 3 = 1671 x 10 -3 m 3 (Vëllimi i avullit)
a) Ndryshimet në energjinë e brendshme
Ndryshimet në energjinë e brendshme = Nxehtësia e shtuar në ujë minus Puna e bërë nga uji kur avullohet. Numërimi i parë Nxehtësia (Q) e shtuar në ujë …
Q = m L V
Dendësia e ujit = masa e ujit / vëllimi i ujit
Masa e ujit (m) = dendësia e ujit x vëllimi i ujit
Masa e ujit (m) = (1000 kg/m3 ) ( 1 x 10-3 m3 )
Masa e ujit (m) = (1000 kg/m3 ) (0.001 m3 )
Masa e ujit (m) = 1 kg
Q = (1 kg) (22.6 x 10 5 J / kg)
Q = 22.6 x 105 J
Llogaritni punën (W) të kryer nga uji kur avullohet. Zierja e ujit ndodh në presion konstant (proces izobarik).
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 107 Xhaul
W = 1.7 x 105 Xhaul
Ndryshimet në energjinë e brendshme të ujit:
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
Nxehtësia prej 21 x 10 5 xhaulësh që i shtohet ujit përdoret për të rritur energjinë e brendshme (kapërcyer forcat tërheqëse midis molekulave që e mbajnë ujin në gjendje të lëngshme). Me fjalë të tjera, 21 x 10 5 J përdoret për ta shndërruar ujin në avull. Kur uji është bërë avull, 1.7 x 10 5 J e mbetur përdoret për të kryer punë.
Pyetja 4:
1 mol gaz në një cilindër zgjerohet me shpejtësi në mënyrë adiabatike. Në fillim, temperatura e gazit = 1000 K. Pas zgjerimit, temperatura e gazit ulet në 500 K. Përcaktoni punën e kryer nga gazi …
Zgjidhje
Zgjerimi i gazit ndodh në mënyrë adiabatike. Në procesin adiabatik, asnjë nxehtësi nuk hyn ose del nga sistemi. Kështu, puna e kryer në gaz = ndryshimet e energjisë në gaz.
ΔU = Q – W ose W = Q – Δ U → Q = 0
W = 0 – ΔU
W = – ΔU
Ne mund të llogarisim ndryshimet e energjisë në gaz duke përdorur ekuacionin e energjisë në gazin 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
Pra, sasia e punës së kryer nga gazi është:
W = – ΔU
W = – (- 6236.25 J)
W = 6236.25 J
