Michakato ya Thermodynamic ya Makala: Isothermal Adiabatic Isochoric Isobaric
Kuna michakato minne ya thermodynamic, yaani michakato ya Isothermal, isochoric, isobaric na adiabatic.
Mchakato wa Isothermal (joto la mara kwa mara)
Katika mchakato wa isothermal, halijoto ya mfumo huwekwa sawa. Kinadharia, mfumo uliochambuliwa ni gesi bora. Halijoto bora ya gesi ni sawa moja kwa moja na nishati bora ya gesi ya ndani (U = 3/2 n RT). T haibadiliki, kwa hivyo U pia haibadiliki. Kwa hivyo, ikitumika kwa mchakato wa isothermal, sheria ya kwanza ya mlinganyo wa thermodynamic inakuwa:
Δ U = Q – W
Nishati ya ndani haibadiliki, kwa hivyo Δ U = 0.
0 = Q – W
Q = W
Kulingana na mlinganyo huu, katika mchakato wa isothermal (joto la kawaida), joto (Q) linaloongezwa kwenye mfumo hutumiwa na mfumo kufanya kazi (W).
Mabadiliko katika shinikizo na ujazo wa mfumo katika mchakato wa isothermal yanaonyeshwa na grafu ifuatayo:
Kiasi cha kwanza cha mfumo = V1 (kiasi kidogo) na shinikizo la mfumo = P1 (shinikizo kubwa). Ili halijoto ya mfumo iwe thabiti basi baada ya joto kuongezwa kwenye mfumo, mfumo hupanuka na kufanya kazi kwenye mazingira. Baada ya mfumo kufanya kazi kwenye mazingira, ujazo wa mfumo hubadilika kuwa V2 (kiasi cha mfumo huongezeka) na mabadiliko ya shinikizo la mfumo hadi P2 (kupungua kwa shinikizo la mfumo). Umbo la grafu limepinda kwa sababu shinikizo la mfumo halibadiliki mara kwa mara wakati wa mchakato. Kiasi cha kazi iliyofanywa katika mfumo = eneo lenye kivuli.
Mchakato wa Adiabatic
Katika mchakato wa adiabatic, hakuna joto linaloongezwa kwenye mfumo au linalotoka kwenye mfumo (Q = 0). Michakato ya adiabatic inaweza kutokea katika mifumo iliyofungwa iliyotengwa vizuri. Kwa mfumo uliofungwa ulio na insulation nzuri, kwa kawaida hakuna joto linaloingia kwenye mfumo au linalotoka kwenye mfumo. Michakato ya adiabatic inaweza pia kutokea katika mifumo iliyofungwa ambayo haijatengwa.
Katika hali hii, mchakato lazima ufanyike haraka ili joto lisipite kwenye mfumo au kuondoka kwenye mfumo. Ikiwa itatumika kwa mchakato wa adiabatic, sheria ya kwanza ya mlinganyo wa Thermodynamic itabadilika:
Δ U = Q – W
Hakuna joto lililo ndani au nje ya mfumo, kwa hivyo Q = 0.
Δ U = 0 – W
Δ U = -W
Ikiwa mfumo unabanwa haraka (kazi inafanywa kwenye mfumo), basi kazi ni hasi. Kwa sababu W ni hasi, basi U ni chanya (nishati katika mfumo huongezeka). Kinyume chake, ikiwa mfumo unapanuka haraka (mfumo unafanya kazi), basi W ni chanya. Kwa kuwa W ni chanya, U ni hasi (nishati katika mfumo hupunguzwa). Nishati katika mfumo (gesi bora) ni sawia na halijoto (U = 3/2 n RT), kwa hivyo ikiwa nishati katika mfumo itaongezeka basi halijoto ya mfumo pia huongezeka. Kinyume chake, ikiwa nishati katika mfumo itapungua, basi halijoto ya mfumo hupungua.
Mabadiliko katika shinikizo la mfumo na ujazo katika mchakato wa adiabatic yanaonyeshwa na grafu ifuatayo:
Mkunjo wa adiabatiki katika grafu hii (mikunjo 1-2) ni mwinuko zaidi kuliko mkunjo wa isothermal (mikunjo 1-3). Tofauti hii ya mwinuko inaonyesha kwamba kwa ongezeko sawa la ujazo, shinikizo la mfumo hupunguzwa zaidi katika mchakato wa adiabatiki kuliko mchakato wa isothermal. Shinikizo la mfumo hupungua zaidi katika mchakato wa adiabatiki kwa sababu wakati upanuzi wa adiabatiki unapotokea, halijoto ya mfumo pia hupungua. Halijoto ni sawia na shinikizo, kwa hivyo ikiwa halijoto ya mfumo hupungua, shinikizo la mfumo pia hupungua. Tofauti na mchakato wa isothermal, halijoto ya mfumo huwa sawa kila wakati. Kwa hivyo, katika mchakato wa isothermal, halijoto haiathiri kushuka kwa shinikizo.
Mfano mmoja wa mchakato wa adiabatic hutokea katika injini ya mwako wa ndani, kama vile injini ya dizeli na injini ya petroli. Katika injini za dizeli, hewa huingizwa kwenye silinda, na hewa ndani ya silinda hushinikizwa haraka kwa kutumia pistoni (kazi hufanywa hewani). Mchakato wa kubana adiabatic (kupunguza ujazo wa mfumo) unaonyeshwa kwa mkunjo 2-1. Kwa sababu ya shinikizo la adiabatic la haraka, halijoto huongezeka haraka. Wakati huo huo, dizeli hunyunyiziwa kwenye silinda kupitia sindano, na mchanganyiko huo huchochewa mara moja. Katika injini ya petroli, mchanganyiko wa hewa na petroli huingizwa kwenye silinda na kisha kushinikizwa haraka kwa kutumia pistoni. Kwa sababu husukumwa haraka adiabatic, halijoto huongezeka haraka. Wakati huo huo, cheche huzima moto ili mchakato wa kuwaka utokee.
Mchakato wa Isokoriki (kiasi kisichobadilika)
Katika mchakato wa Isochoric, ujazo wa mfumo huwekwa sawa. Kwa kuwa ujazo wa mfumo huwa sawa kila wakati, mfumo hauwezi kufanya kazi kwenye mazingira. Mazingira pia hayawezi kufanya kazi kwenye mfumo. Ikiwa inatumika kwa mchakato wa isochoric, sheria ya kwanza ya mlinganyo wa thermodynamic hubadilika kuwa:
Δ U = Q – W
Mfumo haufanyi kazi kwenye mazingira, kwa hivyo W = 0
Δ U = Q – 0
Δ U = Q
Kutokana na matokeo haya, tunaweza kuhitimisha kwamba katika mchakato wa isochori (kiasi kisichobadilika), joto (Q) linaloongezwa kwenye mfumo hutumika kuongeza nishati katika mfumo. Mabadiliko katika shinikizo la mfumo na ujazo katika mchakato wa isochori yanaonyeshwa na grafu iliyo hapa chini:
Mwanzoni, shinikizo la mfumo = p 1 (shinikizo ndogo). Joto la ziada la mfumo husababisha nishati katika mfumo kuongezeka. Kadri nishati katika mfumo inavyoongezeka, halijoto ya mfumo (gesi bora) huongezeka (U = 3/2 n RT). Halijoto inalingana moja kwa moja na shinikizo. Kwa hivyo, ikiwa halijoto ya mfumo huongezeka, basi shinikizo la mfumo huongezeka (uk 2 ). Kutokana na ujazo wa mfumo usiobadilika, hakuna kazi inayofanywa (hakuna eneo lenye kivuli).
Katika mchakato wa isochori, mfumo hauwezi kufanya kazi kwenye mazingira. Vile vile, mazingira hayawezi kufanya kazi kwenye mfumo. Hii ni kwa sababu, katika mchakato wa isochori, ujazo wa mfumo huwa sawa kila wakati. Kuna aina fulani za kazi ambazo hazihusishi mabadiliko ya ujazo. Kwa hivyo ingawa ujazo wa mfumo haubadiliki, kazi bado inaweza kufanywa kwenye mfumo. Kwa mfano, kuna feni + betri kwenye chombo kilichofungwa. Feni inaweza kuzunguka kwa kutumia nishati na betri. Katika hali hii, feni, betri, na hewa ndani ya chombo huchukuliwa kama mifumo.
Wakati feni inapozunguka, feni hufanya kazi, ikicheza ikiwa kwenye chombo. Wakati huo huo, nishati ya kinetiki ya feni hubadilika kuwa nishati hewani. Nishati ya umeme kwenye betri, bila shaka, hupunguzwa kwa sababu imebadilisha umbo kuwa nishati hewani. Mfano huu unaonyesha kwamba katika mchakato wa isochoric (kiasi huwa sawa kila wakati), kazi bado inaweza kufanywa kwenye mfumo (kazi ambayo haihusishi mabadiliko ya kiasi).
Mchakato wa Isobaric (shinikizo la mara kwa mara)
Katika mchakato wa isobariki, shinikizo la mfumo huwekwa sawa. Kwa kuwa shinikizo ni sawa, mabadiliko ya nishati ya ndani ( Δ U), joto (Q) na kazi (W) katika mchakato wa isobariki si sifuri. Hivyo, fomula ya sheria ya kwanza ya thermodynamics haijabadilika.
ΔU = Q − W
Mabadiliko katika shinikizo na ujazo wa gesi katika mchakato wa isobaric yanaonyeshwa na grafu ifuatayo:
Kwanza, ujazo wa mfumo = V1 (kiasi kidogo). Kwa sababu shinikizo huwekwa sawa, kwa hivyo baada ya joto kuongezwa kwenye mfumo, mfumo hupanuka na kufanya kazi kwenye mazingira. Baada ya kufanya kazi kwenye mazingira, kiasi cha mfumo hubadilika kuwa V2 (kiasi cha mfumo huongezeka). Kiasi cha kazi (W) iliyofanywa mfumo = eneo lenye kivuli.
Swali la 1:
Mikunjo 1-2 katika michoro miwili hapa chini inaonyesha upanuzi wa gesi (ongezeko la ujazo wa gesi) unaotokea adiabatically na isothermally. Katika mchakato gani, kazi inayofanywa na gesi ni ndogo?
Kazi inayofanywa na gesi katika mchakato wa adiabatic ni ndogo kuliko kazi inayofanywa na gesi katika mchakato wa isothermal. Eneo lenye kivuli = kazi inayofanywa na gesi wakati wa mchakato wa upanuzi (ongezeko la ujazo wa gesi). Eneo lenye kivuli katika mchakato wa adiabatic ni ndogo kuliko eneo lenye kivuli la mchakato wa isothermal.
Swali la 2:
Michakato ya Thermodynamic imeonyeshwa kwenye mchoro ulio hapa chini. Mikunjo ab na dc = michakato ya isochoric (kiasi kisichobadilika). Mkunjo bc na ad = mchakato wa isobaric (shinikizo lisilobadilika). Katika mchakato ab, joto (Q) Joules 600 huongezwa kwenye mfumo. Katika mchakato bc, joto (Q) Joules 800 huongezwa kwenye mfumo.
a) Mabadiliko ya nishati katika mchakato wa ab
b) Mabadiliko ya nishati katika mchakato wa abc
c) Joto lote lililoongezwa kwenye mchakato wa ADC
P 1 = 2 x 10 5 Pa = 2 x 10 5 N / m 2
P 2 = 4 x 10 5 Pa = 4 x 10 5 N / m 2
V 1 = lita 2 = 2 dm 3 = 2 x 10 -3 m 3
V 2 = lita 4 = 2 dm 3 = 4 x 10 -3 m 3
Suluhisho
a) Mabadiliko ya nishati ya ndani katika mchakato wa ab
Katika mchakato wa ab, joto la 600 J huongezwa kwenye mfumo. Mchakato ab = mchakato wa isochoric (kiasi kisichobadilika). Katika mchakato wa isochoric, kuongezwa kwa joto kwenye mfumo huongeza tu nishati kwenye mfumo. Hivyo, mabadiliko ya nishati katika mfumo baada ya kupokea joto:
ΔU = Q
ΔU = 600 J
b) Mabadiliko ya nishati katika mchakato wa abc
Mchakato ab = mchakato wa isochoric (kiasi kisichobadilika). Katika mchakato wa ab, joto la 600 J huongezwa kwenye mfumo. Kwa sababu ya kiasi kisichobadilika, hakuna kazi inayofanywa na mfumo.
Mchakato bc = mchakato wa isobaric (shinikizo la mara kwa mara). Katika mchakato bc, joto (Q) Jouli 800 huongezwa kwenye mfumo. Katika mchakato wa isobaric, mfumo unaweza kufanya kazi. Kiasi cha kazi inayofanywa na mfumo katika mchakato bc (mchakato isobaric) ni:
W = P (V 2 - V 1 ) — shinikizo la mara kwa mara
W = P 2 (V 2 – V 1 )
W = 4 x 10 5 N/m 2 (4 x 10 -3 m 3 – 2 x 10 -3 m 3 )
W = 4 x 10 5 N/m 2 (2 x 10 -3 m 3 )
W = 8 x 10 2 Joule
W = Jouli 800
Joto lote lililoongezwa kwenye mfumo katika mchakato wa abc ni:
Jumla ya Q = Q ab + Q bc
Jumla ya Q = 600 J + 800 J
Jumla ya Q = Jouli 1400
Jumla ya kazi inayofanywa na mfumo katika mchakato wa abc ni:
Jumla ya W = W ab + W bc
Jumla ya W = 0 + W bc
Jumla ya W = 0 + 800 Joule
Jumla ya W = Joule 800
Mabadiliko ya nishati ya ndani katika mchakato abc = 600 J
c) Jumla ya joto iliyoongezwa kwenye mchakato wa ADC
Jumla ya joto inayoongezwa kwenye mfumo inaweza kuhesabiwa kwa kutumia mlinganyo ufuatao:
ΔU = Q – W
Q = ΔU + W
Joto lote lililoongezwa kwenye mchakato wa adc = mabadiliko ya nishati ya ndani katika adc + kazi katika mchakato wa adc.
Joto na kazi vinahusika katika uhamishaji wa nishati kati ya mifumo na mazingira, huku mabadiliko ya nishati ya ndani yakitokana na uhamishaji wa nishati kati ya mfumo na mazingira. Kwa hivyo, mabadiliko ya nishati hayategemei mchakato wa uhamishaji wa nishati. Kwa upande mwingine, joto na kazi hutegemea mchakato. Katika mchakato wa isochoric (mfumo wa ujazo wa kila wakati), uhamishaji wa nishati ni katika umbo la joto tu, huku kazi ikiwa sivyo. Katika mchakato wa isobaric (shinikizo la kila wakati), uhamishaji wa nishati unahusisha joto na kazi. Ingawa haitegemei mchakato, nishati hubadilika kulingana na hali ya awali na hali ya mfumo wa mwisho. Ikiwa hali za awali na za mwisho ni sawa, mabadiliko ya nishati huwa sawa kila wakati, ingawa mchakato ni tofauti.
Hali za awali na za mwisho za mchakato wa abc kwenye grafu hapo juu = hali za awali na za mwisho za mchakato wa adc. Hivyo, mabadiliko ya nishati ya ndani katika mchakato wa adc = 600 J.
Jumla ya kazi (W) iliyofanywa kwenye adc = mchakato wa W kwenye tangazo + W kwenye mchakato wa dc.
Mchakato wa tangazo ni mchakato wa isobariki (shinikizo la mara kwa mara), ilhali mchakato wa dc ni mchakato wa isochoriki (kiasi kisichobadilika). Kwa sababu ya ujazo usiobadilika, hakuna kazi inayofanywa kwenye mchakato wa dc. Kwanza, tunahesabu kazi iliyofanywa kwenye mchakato wa tangazo.
Tangazo la Wa = P (V 2 - V 1 )
Tangazo la Wa = P 1 (V 2 - V 1 )
Wati = 2 x 10 5 N/m 2 (4 x 10 ‐3 m 3 ‐ 2 x 10 ‐3 m 3 )
Wati = 2 x 10 5 N/m 2 (2 x 10-3 m 3 )
Wadi ya ad = 4 x 10 2 Joule
W ad = 400 Joule
Jumla ya W = W katika mchakato a-d + W katika mchakato d-c
Jumla ya W = Jouli 400 + 0
Jumla ya W = Joule 400
Kwa hivyo, kiasi cha joto kinachoongezwa kwenye mchakato wa ADC ni:
Q = ΔU + W
Q = 600 J + 400 J
Q = 1000 J
Swali la 3:
Lita 1 ya maji hugeuka kuwa lita 1671 za mvuke inapochemshwa kwa shinikizo la atm 1. Hesabu mabadiliko ya nishati ya ndani na kazi inayofanywa na maji inapovukiza … (Joto la uvukizi kwa maji = LV = 22.6 x 10 5 J/Kg)
Suluhisho
Uzito wa maji = 1000 kg/ m3
Joto la uvukizi kwa maji (L V ) = 22.6 x 10 5 J / Kg
P = 1 atm = 1.013 x 10 5 Pa = 1.013 x 10 5 N/m 2
V 1 = lita 1 = dm 1 3 = 1 x 10 -3 m 3 (Ujazo wa maji)
V 2 = lita 1671 = 1671 dm 3 = 1671 x 10 -3 m 3 (Kiasi cha mvuke)
a) Mabadiliko katika nishati ya ndani
Mabadiliko katika nishati ya ndani = Joto lililoongezwa kwenye maji bila kazi iliyofanywa na maji yanapovukizwa. Hesabu ya kwanza Joto (Q) lililoongezwa kwenye maji …
Q = m L V
Uzito wa maji = uzito wa maji / ujazo wa maji
Uzito wa maji (m) = msongamano wa maji x ujazo wa maji
Uzito wa maji (m) = (kilo 1000/m3 ) ( 1 x 10 -3 m3 )
Uzito wa maji (m) = (kilo 1000/m3 ) (0.001 m3 )
Uzito wa maji (m) = kilo 1
Q = (kilo 1) (22.6 x 10 5 J / kg)
Q = 22.6 x 10 5 J
Hesabu kazi (W) inayofanywa na maji yanapovukizwa. Kuchemka kwa maji hutokea kwa shinikizo la mara kwa mara (mchakato wa isobaric).
W = p (V 2 - V 1 )
W = 1.013 x 10 5 N/m 2 (1671 x 10 -3 m 3 – 1 x 10 -3 m 3 )
W = 1.013 x 10 5 N/m 2 (1670 x 10 -3 m 3 )
W = 1691.71 x 105 Jouli
W = 1.7 x 105 Jouli
Mabadiliko katika nishati ya ndani ya maji:
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
Joule 21 x 10 5 Joule inayoongezwa kwenye maji hutumika kuongeza nishati ya ndani (kushinda nguvu za mvutano kati ya molekuli zinazoweka maji kwenye maji). Kwa maneno mengine, 21 x 10 5 J hutumika kubadilisha maji kuwa mvuke. Maji yanapokuwa mvuke, 1.7 x 105 J iliyobaki hutumika kufanya kazi.
Swali la 4:
Moli 1 ya gesi kwenye silinda hupanuka haraka adiabatically. Mwanzoni, halijoto ya gesi = 1000 K. Baada ya kupanuka, halijoto ya gesi hupungua hadi 500 K. Amua kazi inayofanywa na gesi …
Suluhisho
Upanuzi wa gesi hutokea kwa njia ya adiabatiki. Katika mchakato wa adiabatiki, hakuna joto linaloingia au kutoka kwenye mfumo. Hivyo, kazi inayofanywa katika gesi = mabadiliko ya nishati katika gesi.
ΔU = Q – W au W = Q – Δ U → Q = 0
W = 0 – ΔU
W = – ΔU
Tunaweza kuhesabu mabadiliko ya nishati katika gesi kwa kutumia mlinganyo wa nishati katika gesi bora:
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
Kwa hivyo, kiasi cha kazi inayofanywa na gesi ni:
W = – ΔU
W = – (- 6236.25 J)
W = 6236.25 J
