Мақола Равандҳои термодинамикӣ: Адиабатӣ, изотермикӣ, изохорикӣ, изобарикӣ
Чор раванди термодинамикӣ мавҷуданд, яъне равандҳои изотермикӣ, изохорикӣ, изобарикӣ ва адиабатикӣ.
Раванди изотермӣ (ҳарорати доимӣ)
Дар раванди изотермӣ, ҳарорати система доимӣ нигоҳ дошта мешавад. Аз нигоҳи назарӣ, системаи таҳлилшуда гази идеалӣ аст. Ҳарорати гази идеалӣ ба энергияи дохилии идеалии газ (U = 3/2 n RT) мустақиман мутаносиб аст. T тағйир намеёбад, аз ин рӯ U низ тағйир намеёбад. Ҳамин тариқ, агар ба раванди изотермӣ татбиқ карда шавад, қонуни якуми муодилаи термодинамикӣ чунин мешавад:
Δ U = Q – W
Энергияи дохилӣ тағйир намеёбад, бинобар ин Δ U = 0 аст.
0 = Q – W
Q = W
Бар асоси ин муодила, дар раванди изотермӣ (ҳарорати доимӣ), гармии (Q), ки ба система илова карда мешавад, аз ҷониби система барои иҷрои кор (W) истифода мешавад.
Тағйирёбии фишор ва ҳаҷми система дар раванди изотермӣ бо графики зер нишон дода шудааст:
Ҳаҷми аввалини система = V1 (ҳаҷми хурд) ва фишори система = P1 (фишори калон). Барои он ки ҳарорати система доимӣ бошад, пас аз илова кардани гармӣ ба система, система васеъ мешавад ва ба муҳити зист кор мекунад. Пас аз он ки система ба муҳити зист кор мекунад, ҳаҷми система ба V тағйир меёбад.2 (ҳаҷми система меафзояд) ва фишори система ба P тағйир меёбад2 (коҳиш ёфтани фишори система). Шакли график каҷ аст, зеро фишори система дар давоми раванд мунтазам тағйир намеёбад. Миқдори кори анҷомдодашуда дар система = майдони сояафкан.
Раванди адиабатӣ
Дар раванди адиабатӣ ба система гармӣ илова карда намешавад ва системаро тарк намекунад (Q = 0). Равандҳои адиабатӣ метавонанд дар системаҳои пӯшидаи хуб изолятсияшуда ба амал оянд. Барои системаи пӯшидаи хуб изолятсияшуда, одатан гармӣ ба система ворид намешавад ё системаро тарк намекунад. Равандҳои адиабатӣ инчунин метавонанд дар системаҳои пӯшидае, ки ҷудогона нестанд, ба амал оянд.
Дар ин ҳолат, раванд бояд босуръат анҷом дода шавад, то гармӣ ба система нагузарад ё аз система берун нашавад. Агар ба раванди адиабатӣ татбиқ карда шавад, муодилаи термодинамикии қонуни аввал тағйир меёбад:
Δ U = Q – W
Гармӣ дар система ё берун аз он нест, аз ин рӯ Q = 0 аст.
Δ U = 0 – W
Δ U = -W
Агар система зуд пахш карда шавад (кор дар система анҷом дода мешавад), пас кор манфӣ аст. Азбаски W манфӣ аст, пас U мусбат аст (энергия дар система меафзояд). Баръакс, агар система зуд васеъ шавад (система кор мекунад), пас W мусбат аст. Азбаски W мусбат аст, U манфӣ аст (энергия дар система кам мешавад). Энергия дар система (гази идеалӣ) ба ҳарорат мутаносиб аст (U = 3/2 n RT), аз ин рӯ, агар энергия дар система зиёд шавад, ҳарорати система низ меафзояд. Баръакс, агар энергия дар система кам шавад, пас ҳарорати система кам мешавад.
Тағйирёбии фишор ва ҳаҷми система дар раванди адиабатӣ дар графики зер нишон дода шудааст:
Каҷхати адиабатӣ дар ин график (хатҳои 1-2) нисбат ба каҷхати изотермӣ (хатҳои 1-3) нишебтар аст. Ин фарқияти нишебӣ нишон медиҳад, ки бо афзоиши ҳамон ҳаҷм, фишори система дар раванди адиабатӣ нисбат ба раванди изотермӣ бештар кам мешавад. Фишори система дар раванди адиабатӣ бештар кам мешавад, зеро ҳангоми васеъшавии адиабатӣ ҳарорати система низ паст мешавад. Ҳарорат ба фишор мутаносиб аст, аз ин рӯ, агар ҳарорати система паст шавад, фишори система низ паст мешавад. Баръакси раванди изотермӣ, ҳарорати система ҳамеша доимӣ аст. Ҳамин тариқ, дар раванди изотермӣ, ҳарорат ба паст шудани фишор таъсир намерасонад.
Як мисоли раванди адиабатӣ дар муҳаррики сӯзиши дохилӣ, ба монанди муҳаррики дизелӣ ва муҳаррики бензинӣ, рух медиҳад. Дар муҳаррикҳои дизелӣ ҳаво ба силиндр ворид карда мешавад ва ҳавои дохили силиндр бо истифода аз поршен зуд пахш карда мешавад (кор бо ҳаво анҷом дода мешавад). Раванди фишурдани адиабатӣ (кам кардани ҳаҷми система) бо хати каҷи 2-1 нишон дода шудааст. Аз сабаби фишори баланди адиабатӣ, ҳарорат зуд баланд мешавад. Дар айни замон, дизел тавассути сӯзандору ба силиндр пошида мешавад ва омехта фавран ба кор медарояд. Дар муҳаррики бензинӣ, омехтаи ҳаво ва бензин ба силиндр ворид карда мешавад ва сипас бо истифода аз поршен зуд пахш карда мешавад. Азбаски он зуд ба таври адиабатӣ тела дода мешавад, ҳарорат зуд баланд мешавад. Дар айни замон, шамъҳои оташгиранда месӯзанд, то раванди сӯхтан ба амал ояд.
Раванди изохорӣ (ҳаҷми доимӣ)
Дар раванди изохорӣ, ҳаҷми система доимӣ нигоҳ дошта мешавад. Азбаски ҳаҷми система ҳамеша доимӣ аст, система наметавонад ба муҳити атроф кор кунад. Муҳити атроф низ наметавонад ба система кор кунад. Агар ба раванди изохорӣ татбиқ карда шавад, қонуни якуми муодилаи термодинамикӣ ба ин тағйир меёбад:
Δ U = Q – W
Система дар муҳити зист кор намекунад, бинобар ин W = 0 аст.
Δ U = Q – 0
Δ U = Q
Аз ин натиҷа, мо метавонем хулоса барорем, ки дар раванди изохорӣ (ҳаҷми доимӣ), гармии (Q) ба система иловашуда барои афзоиши энергия дар система истифода мешавад. Тағйирот дар фишор ва ҳаҷми система дар раванди изохорӣ бо графики зер нишон дода шудаанд:
Дар аввал, фишори система = p 1 (фишори хурд). Гармии иловагии система боиси афзоиши энергия дар система мегардад. Ҳангоми афзоиши энергия дар система, ҳарорати система (гази идеалӣ) меафзояд (U = 3/2 n RT). Ҳарорат ба фишор мустақиман мутаносиб аст. Аз ин рӯ, агар ҳарорати система афзоиш ёбад, фишори система низ меафзояд (p 2 ). Аз сабаби ҳаҷми доимии система, ҳеҷ коре анҷом дода намешавад (минтақаи сояафкан нест).
Дар раванди изохорӣ, система наметавонад дар муҳит кор кунад. Ба ҳамин монанд, муҳит наметавонад дар система кор кунад. Ин аз он сабаб аст, ки дар раванди изохорӣ ҳаҷми система ҳамеша доимӣ аст. Намудҳои муайяни корҳо мавҷуданд, ки тағирёбии ҳаҷмро дар бар намегиранд. Ҳамин тавр, ҳатто агар ҳаҷми система тағйир наёбад ҳам, кор дар система метавонад анҷом дода шавад. Масалан, дар як зарфи пӯшида вентилятор + батарея мавҷуд аст. Вентилятор метавонад бо истифода аз энергияи батарея чарх занад. Дар ин ҳолат, вентиляторҳо, батареяҳо ва ҳавои дохили зарф ҳамчун система ҳисобида мешаванд.
Вақте ки вентилятор чарх мезанад, вентилятор кор мекунад ва дар зарф мавҷуд аст. Дар айни замон, энергияи кинетикии вентилятор ба энергияи ҳаво табдил меёбад. Албатта, энергияи барқӣ дар батарея кам мешавад, зеро он шакли худро ба энергияи ҳаво табдил додааст. Ин мисол нишон медиҳад, ки дар раванди изохорӣ (ҳаҷм ҳамеша доимӣ аст), кор дар система ҳанӯз ҳам метавонад анҷом дода шавад (коре, ки тағирёбии ҳаҷмро дар бар намегирад).
Раванди изобарӣ (фишори доимӣ)
Дар раванди изобарӣ, фишори система доимӣ нигоҳ дошта мешавад. Азбаски фишор доимӣ аст, тағйироти энергияи дохилӣ ( Δ U), гармӣ (Q) ва кор (W) дар раванди изобарӣ ба сифр баробар нестанд. Ҳамин тариқ, формулаи термодинамикаи қонуни аввал тағйир наёфтааст.
ΔU = Q − W
Тағйирот дар фишор ва ҳаҷми газ дар раванди изобарӣ дар графики зер нишон дода шудааст:
Аввалан, ҳаҷми система = V1 (ҳаҷми хурд). Азбаски фишор доимӣ нигоҳ дошта мешавад, пас аз илова кардани гармӣ ба система, система васеъ мешавад ва бо муҳити атроф кор мекунад. Пас аз кор бо муҳити атроф, ҳаҷми система ба V тағйир меёбад.2 (ҳаҷми система меафзояд). Миқдори кори анҷомдодашуда (Вт) дар система = майдони сояафкан.
Саволи 1:
Хатҳои 1-2 дар ду диаграммаи зер васеъшавии газро (афзоиши ҳаҷми газ) нишон медиҳанд, ки ба таври адиабатӣ ва изотермӣ ба амал меояд. Дар кадом раванд кори газ камтар аст?
Коре, ки газҳо дар раванди адиабатӣ анҷом медиҳанд, нисбат ба кори газҳо дар раванди изотермӣ камтар аст. Масоҳати сояафкан = кори анҷомдодашуда аз ҷониби газ ҳангоми раванди васеъшавӣ (афзоиши ҳаҷми газ). Масоҳати сояафкан дар раванди адиабатӣ нисбат ба масоҳати сояафкани раванди изотермӣ камтар аст.
Саволи 2:
Равандҳои термодинамикӣ дар диаграммаи зер нишон дода шудаанд. Каҷхатҳои ab ва dc = равандҳои изохорӣ (ҳаҷми доимӣ). Каҷхатҳои bc ва ad = раванди изобарӣ (фишори доимӣ). Дар раванди ab, ба система 600 Ҷоул гармӣ (Q) илова карда мешавад. Дар раванди bc, ба система 800 Ҷоул гармӣ (Q) илова карда мешавад.
а) Тағйироти энергия дар раванди ab
б) Тағйироти энергия дар раванди abc
в) Гармии умумии иловашуда ба раванди ADC
P1 = 2 x 10 5 Па = 2 x 10 5 Н / м2
P2 = 4 x 10 5 Па = 4 x 10 5 Н / м2
V 1 = 2 литр = 2 дм 3 = 2 x 10 -3 м 3
V2 = 4 литр = 2 дм3 = 4 x 10 -3 м3
ҳал
а) Тағйироти энергияи дохилӣ дар раванди ab
Дар раванди ab, ба система 600 Ҷ гармӣ илова карда мешавад. Раванди ab = раванди изохорӣ (ҳаҷми доимӣ). Дар раванди изохорӣ, илова кардани гармӣ дар система танҳо энергияро дар система зиёд мекунад. Ҳамин тариқ, энергия дар система пас аз гирифтани гармӣ тағйир меёбад:
ΔU = Q
ΔU = 600 Ҷ
б) Тағйироти энергия дар раванди abc
Раванди ab = раванди изохорӣ (ҳаҷми доимӣ). Дар раванди ab, ба система 600 Ҷ гармӣ илова карда мешавад. Аз сабаби ҳаҷми доимӣ, система ягон кор анҷом намедиҳад.
Раванди bc = раванди изобарӣ (фишори доимӣ). Дар раванди bc, ба система 800 Ҷоул гармӣ (Q) илова карда мешавад. Дар раванди изобарӣ, система метавонад кор кунад. Миқдори кори анҷомдодашуда аз ҷониби система дар раванди bc (раванди изобарӣ) чунин аст:
W = P (V2 – V1 ) — фишори доимӣ
W = P2 ( V2 – V1 )
В = 4 x 10 5 Н/м2 ( 4 x 10 -3 м 3 – 2 x 10 -3 м 3 )
В = 4 x 10 5 Н /м2 ( 2 x 10 -3 м3 )
W = 8 x 10 2 Ҷоул
W = 800 Ҷоул
Гармии умумии ба система дар раванди abc иловашуда чунин аст:
Ҷамъи Q = Q ab + Q bc
Ҷамъи Q = 600 Ҷ + 800 Ҷ
Q умумӣ = 1400 Ҷоул
Маблағи умумии кори иҷрошуда аз ҷониби система дар раванди abc чунин аст:
Ҷамъи W = W ab + W bc
Ҷамъи W = 0 + W bc
Ҷамъи W = 0 + 800 Ҷоул
Ҷамъи W = 800 Ҷоул
Тағйироти энергияи дохилӣ дар раванд abc = 600 Ҷ
в) Гармии умумии иловашуда ба раванди ADC
Гармии умумии ба система иловашударо бо истифода аз муодилаи зерин ҳисоб кардан мумкин аст:
ΔU = Q – W
Q = ΔU + W
Гармии умумии ба раванд иловашуда adc = тағйироти энергияи дохилӣ дар adc + кор дар раванд adc.
Гармӣ ва кор дар интиқоли энергия байни системаҳо ва муҳит иштирок мекунанд, дар ҳоле ки тағйироти энергияи дохилӣ натиҷаи интиқоли энергия байни система ва муҳит мебошанд. Аз ин рӯ, тағйироти энергия аз раванди интиқоли энергия вобаста нест. Аз тарафи дигар, гармӣ ва кор аз раванд вобастаанд. Дар раванди изохорӣ (системаи ҳаҷми доимӣ), интиқоли энергия танҳо дар шакли гармӣ сурат мегирад, дар ҳоле ки кор нест. Дар раванди изобарӣ (фишори доимӣ), интиқоли энергия гармӣ ва корро дар бар мегирад. Гарчанде ки аз раванд вобаста нест, энергия вобаста ба ҳолати ибтидоӣ ва ҳолати системаи ниҳоӣ тағйир меёбад. Агар ҳолатҳои ибтидоӣ ва ниҳоӣ якхела бошанд, тағйироти энергия ҳамеша якхелаанд, гарчанде ки раванд фарқ мекунад.
Ҳолатҳои ибтидоӣ ва ниҳоии раванди abc дар графики боло = ҳолатҳои ибтидоӣ ва ниҳоии раванди adc. Ҳамин тариқ, энергияи дохилӣ дар раванди adc = 600 Ҷ тағйир меёбад.
Кори умумии (W) дар раванди adc = W дар раванди ad + W дар раванди dc анҷом дода шудааст.
Раванди ад раванди изобарӣ (фишори доимӣ) аст, дар ҳоле ки раванди доимии ҷараён раванди изохорӣ (ҳаҷми доимӣ) аст. Аз сабаби ҳаҷми доимӣ, дар раванди доимии ҷараён ягон кор анҷом дода намешавад. Аввалан, мо кори анҷомдодашударо дар раванди ад ҳисоб мекунем.
W ad = P ( V2 ‐ V1 )
W ad = P1 ( V2 ‐ V1 )
Вт ad = 2 x 10 5 Н/м2 ( 4 x 10-3 м 3 ‐ 2 x 10-3 м 3 )
Вт ad = 2 x 10 5 Н/м2 ( 2 x 10 ‐3 м3 )
W ad = 4 x 10 2 Ҷоул
W ad = 400 Ҷоул
Ҷамъи W = W дар раванди a-d + W дар раванди d-c
Ҷамъи W = 400 Ҷоул + 0
Ҷамъи W = 400 Ҷоул
Ҳамин тариқ, миқдори гармии ба раванди ADC иловашуда чунин аст:
Q = ΔU + W
Q = 600 Ҷ + 400 Ҷ
Q = 1000 Ҷ
Саволи 3:
Ҳангоми ҷӯшондан дар фишори 1 атмосферӣ, 1 литр об ба 1671 литр буғ табдил меёбад. Ҳангоми бухоршавӣ тағйироти энергияи дохилӣ ва кори анҷомдодашудаи обро ҳисоб кунед... (Гармии бухоршавӣ барои об = LV = 22.6 x 105 Ҷ /кг)
ҳал
Зичии об = 1000 кг/ м3
Гармии бухоршавӣ барои об (LV ) = 22.6 x 105 Ҷ / кг
P = 1 атм = 1.013 x 10 5 Па = 1.013 x 10 5 Н/ м2
V 1 = 1 литр = 1 дм 3 = 1 x 10 -3 м 3 (Ҳаҷми об)
V2 = 1671 литр = 1671 дм3 = 1671 x 10 -3 м3 (Ҳаҷми буғ )
а) Тағйирот дар энергияи дохилӣ
Тағйирот дар энергияи дохилӣ = Гармии ба об иловашуда минус Коре, ки об ҳангоми бухоршавӣ анҷом медиҳад. Аввал ҳисоб кунед Гармии (Q) ба об иловашуда …
Q = м L V
Зичии об = массаи об / ҳаҷми об
Массаи об (м) = зичии об x ҳаҷми об
Массаи об (м) = (1000 кг/м3 ) ( 1 x 10 -3 м3 )
Массаи об (м) = (1000 кг/м3 ) (0.001 м3 )
Массаи об (м) = 1 кг
Q = (1 кг) (22.6 x 10 5 Ҷ / кг)
Q = 22.6 x 10 5 Ҷ
Кори (Вт)-и обро ҳангоми бухоршавӣ ҳисоб кунед. Ҷӯшидани об дар фишори доимӣ (раванди изобарӣ) ба амал меояд.
W = p ( V2 – V1 )
В = 1.013 x 10 5 Н/м2 ( 1671 x 10 -3 м 3 – 1 x 10 -3 м 3 )
В = 1.013 x 10 5 Н /м2 ( 1670 x 10 -3 м3 )
W = 1691.71 x 10 2 Ҷоул
W = 1.7 x 105 Ҷоул
Тағйирот дар энергияи дохилии об:
ΔU = Q – W
ΔU = 22.6 x 10 5 Ҷ – 1.7 x 10 5 Ҷ
ΔU = 20.9 x 10 5 Ҷ
ΔU = 21 x 10 5 Ҷ
Гармии 21 x 10 5 Ҷоул, ки ба об илова карда мешавад, барои зиёд кардани энергияи дохилӣ (рафъи қувваҳои кашиш байни молекулаҳое, ки обро моеъ нигоҳ медоранд) истифода мешавад. Ба ибораи дигар, 21 x 10 5 Ҷ барои табдил додани об ба буғ истифода мешавад. Вақте ки об ба буғ табдил меёбад, 1.7 x 105 Ҷ боқимонда барои иҷрои кор истифода мешавад.
Саволи 4:
1 мол газ дар силиндр бо суръати адиабатӣ васеъ мешавад. Дар аввал, ҳарорати газ = 1000 К. Пас аз васеъшавӣ, ҳарорати газ то 500 К паст мешавад. Кори анҷомдодаи газро муайян кунед...
ҳал
Васеъшавии газ ба таври адиабатӣ ба амал меояд. Дар раванди адиабатӣ, гармӣ ба система ворид ё хориҷ намешавад. Ҳамин тариқ, кори дар газ иҷрошуда = тағйироти энергия дар газ.
ΔU = Q – W ё W = Q – Δ U → Q = 0
W = 0 – ΔU
W = – ΔU
Мо метавонем тағйироти энергияро дар газ бо истифода аз муодилаи энергия дар гази идеалӣ ҳисоб кунем:
ΔU = 3/2 (1 мол) (8.315 Дж/мол. К) (500 К – 1000 К)
ΔU = 3/2 (1 мол) (8.315 Дж/мол. К) (- 500 К)
ΔU = -6236.25 Ҷ
Пас, миқдори кори аз ҷониби газ иҷрошуда чунин аст:
W = – ΔU
W = – (- 6236.25 J)
В = 6236.25 Ҷ
