Artikulo Mga prosesong Termodinamika: Isothermal Adiabatic Isochoric Isobaric
Mayroong apat na prosesong termodinamika, katulad ng mga prosesong Isothermal, isochoric, isobaric at adiabatic.
Prosesong Isothermal (pare-parehong temperatura)
Sa isang prosesong isothermal, ang temperatura ng sistema ay pinapanatiling pare-pareho. Sa teorya, ang sinusuri na sistema ay isang ideal na gas. Ang temperatura ng ideal na gas ay direktang proporsyonal sa ideal na enerhiya ng panloob na gas (U = 3/2 n RT). Ang T ay hindi nagbabago, kaya ang U ay hindi rin nagbabago. Kaya, kung ilalapat sa prosesong isothermal, ang unang batas ng thermodynamic equation ay magiging:
ΔU = Q – W
Ang panloob na enerhiya ay hindi nagbabago, kaya ΔU = 0.
0 = Q – W
Q = W
Batay sa ekwasyong ito, sa prosesong isothermal (pare-parehong temperatura), ang init (Q) na idinagdag sa sistema ay ginagamit ng sistema upang magsagawa ng trabaho (W).
Ang pagbabago sa presyon at volume ng sistema sa prosesong isothermal ay inilalarawan ng graph sa ibaba:
Unang dami ng sistema = V1 (maliit na volume) at presyon ng sistema = P1 (malaking presyon). Para maging pare-pareho ang temperatura ng sistema, pagkatapos idagdag ang init sa sistema, lumalawak ang sistema at gumagawa ng trabaho sa kapaligiran. Pagkatapos magtrabaho ang sistema sa kapaligiran, magbabago ang volume ng sistema sa V2 (tumataas ang volume ng sistema) at nagbabago ang presyon ng sistema sa P2 (pagbaba ng presyon ng sistema). Ang hugis ng graph ay kurbado dahil ang presyon ng sistema ay hindi regular na nagbabago sa panahon ng proseso. Dami ng gawaing nagawa sa sistema = may kulay na lugar.
Prosesong Adiabatic
Sa prosesong adiabatic, walang init na idinaragdag sa sistema o umaalis sa sistema (Q = 0). Ang mga prosesong adiabatic ay maaaring mangyari sa mga sistemang mahusay na nakahiwalay at sarado. Para sa isang sistemang mahusay na naka-insulate at sarado, karaniwang walang init na dumadaloy papasok sa sistema o umaalis sa sistema. Ang mga prosesong adiabatic ay maaari ring mangyari sa mga sistemang sarado na hindi nakahiwalay.
Sa kasong ito, ang proseso ay dapat gawin nang mabilis upang ang init ay hindi dumaloy sa sistema o umalis sa sistema. Kung ilalapat sa isang prosesong adiabatic, ang unang batas ng Thermodynamic equation ay magbabago:
ΔU = Q – W
Walang init na pumapasok o lumalabas sa sistema, kaya Q = 0.
ΔU = 0 – W
ΔU = -W
Kung ang sistema ay mabilis na pinipindot (may trabahong ginagawa sa sistema), negatibo ang trabaho. Dahil negatibo ang W, positibo ang U (tataas ang enerhiya sa sistema). Sa kabaligtaran, kung mabilis na lumawak ang sistema (gumagana ang sistema), positibo ang W. Dahil positibo ang W, negatibo ang U (nababawasan ang enerhiya sa sistema). Ang enerhiya sa sistema (ideal gas) ay proporsyonal sa temperatura (U = 3/2 n RT), samakatuwid, kung tataas ang enerhiya sa sistema, tataas din ang temperatura ng sistema. Sa kabaligtaran, kung mababawasan ang enerhiya sa sistema, bababa ang temperatura ng sistema.
Ang pagbabago sa presyon at volume ng sistema sa prosesong adiabatic ay inilalarawan ng graph sa ibaba:
Ang adiabatic curve sa graph na ito (mga kurba 1-2) ay mas matarik kaysa sa isothermal curve (mga kurba 1-3). Ang pagkakaiba ng matarik na ito ay nagpapakita na para sa parehong pagtaas ng volume, ang presyon ng sistema ay mas nababawasan sa prosesong adiabatic kaysa sa prosesong isothermal. Ang presyon ng sistema ay mas bumababa sa prosesong adiabatic dahil kapag nangyayari ang adiabatic expansion, bumababa rin ang temperatura ng sistema. Ang temperatura ay proporsyonal sa presyon, samakatuwid kung bumababa ang temperatura ng sistema, bumababa rin ang presyon ng sistema. Kabaligtaran sa prosesong isothermal, ang temperatura ng sistema ay palaging pare-pareho. Kaya, sa prosesong isothermal, ang temperatura ay hindi nakakaimpluwensya sa pagbaba ng presyon.
Isang halimbawa ng prosesong adiabatic ang nangyayari sa isang internal combustion engine, tulad ng diesel engine at gasoline engine. Sa mga diesel engine, ang hangin ay ipinapasok sa silindro, at ang hangin sa loob ng silindro ay mabilis na pinipindot gamit ang isang piston (ang trabaho ay ginagawa sa hangin). Ang proseso ng adiabatic compression (pagbabawas ng volume ng sistema) ay inilalarawan ng curve 2-1. Dahil sa mabilis na adiabatic pressure, ang temperatura ay mabilis na tumataas. Kasabay nito, ang diesel ay ini-spray sa silindro sa pamamagitan ng injector, at ang halo ay agad na na-trigger. Sa isang gasoline engine, ang pinaghalong hangin at gasolina ay ipinapasok sa silindro at pagkatapos ay mabilis na pinipindot gamit ang isang piston. Dahil ito ay mabilis na itinutulak nang adiabatic, ang temperatura ay mabilis na tumataas. Kasabay nito, ang mga spark plug ay nagpapaputok kaya nangyayari ang proseso ng pagkasunog.
Prosesong Isochoric (pare-parehong dami)
Sa prosesong Isochoric, ang volume ng sistema ay pinapanatiling pare-pareho. Dahil ang volume ng sistema ay palaging pare-pareho, ang sistema ay hindi maaaring gumana sa kapaligiran. Ang kapaligiran ay hindi rin maaaring gumawa ng trabaho sa sistema. Kung ilalapat sa prosesong isochoric, ang unang batas ng thermodynamic equation ay magbabago sa:
ΔU = Q – W
Ang sistema ay hindi gumagana sa kapaligiran, kaya W = 0
ΔU = Q – 0
ΔU = Q
Mula sa resultang ito, maaari nating mahinuha na sa prosesong isochoric (constant volume), ang init (Q) na idinagdag sa sistema ay ginagamit upang mapataas ang enerhiya sa sistema. Ang mga pagbabago sa presyon at volume ng sistema sa prosesong isochoric ay inilalarawan ng graph sa ibaba:
Sa una, ang presyon ng sistema = p 1 (maliit na presyon). Ang karagdagang init ng sistema ay nagiging sanhi ng pagtaas ng enerhiya sa sistema. Habang tumataas ang enerhiya sa sistema, tumataas din ang temperatura ng sistema (ideal gas) (U = 3/2 n RT). Ang temperatura ay direktang proporsyonal sa presyon. Samakatuwid, kung tumataas ang temperatura ng sistema, tumataas din ang presyon ng sistema (p 2 ). Dahil sa pare-parehong volume ng sistema, walang gawaing nagagawa (walang may kulay na lugar).
Sa prosesong isochoric, ang sistema ay hindi maaaring gumawa ng trabaho sa kapaligiran. Gayundin, ang kapaligiran ay hindi maaaring gumawa ng trabaho sa sistema. Ito ay dahil, sa isang prosesong isochoric, ang volume ng sistema ay palaging pare-pareho. May ilang uri ng trabaho na hindi nangangailangan ng mga pagbabago sa volume. Kaya kahit na ang volume ng sistema ay hindi nagbabago, ang trabaho ay maaari pa ring gawin sa sistema. Halimbawa, mayroong isang bentilador + baterya sa isang saradong lalagyan. Ang bentilador ay maaaring umikot gamit ang enerhiya ng baterya. Sa kasong ito, ang mga bentilador, baterya, at hangin sa loob ng lalagyan ay itinuturing na mga sistema.
Kapag umiikot ang bentilador, gumagana ang bentilador, na gumaganap bilang nasa lalagyan. Kasabay nito, ang kinetic energy ng bentilador ay nagiging enerhiya sa hangin. Siyempre, ang enerhiyang elektrikal sa baterya ay nababawasan dahil nagbago ang hugis nito at naging enerhiya sa hangin. Ipinapakita ng halimbawang ito na sa prosesong isochoric (ang volume ay palaging pare-pareho), maaari pa ring gawin ang trabaho sa sistema (trabahong hindi nangangailangan ng mga pagbabago sa volume).
Prosesong Isobaric (pare-parehong presyon)
Sa isang prosesong isobaric, ang presyon ng sistema ay pinapanatiling pare-pareho. Dahil ang presyon ay pare-pareho, ang pagbabago ng panloob na enerhiya ( ΔU ), init (Q) at trabaho (W) sa prosesong isobaric ay hindi zero. Kaya, ang pormula ng unang batas na termodinamika ay hindi nagbago.
ΔU = Q − W
Ang mga pagbabago sa presyon at dami ng gas sa prosesong isobaric ay inilalarawan ng graph sa ibaba:
Una, dami ng sistema = V1 (maliit na volume). Dahil ang presyon ay pinapanatiling pare-pareho, kaya pagkatapos idagdag ang init sa sistema, ang sistema ay lumalawak at gumagawa ng trabaho sa kapaligiran. Pagkatapos magtrabaho sa kapaligiran, ang volume ng sistema ay nagbabago sa V2 (pagtaas ng volume ng sistema). Dami ng trabaho (W) na nagawa sa sistema = may kulay na lugar.
Tanong 1:
Ang mga kurba 1-2 sa dalawang diagram sa ibaba ay nagpapakita ng paglawak ng gas (pagtaas ng volume ng gas) na nangyayari nang adiabatic at isothermally. Sa aling proseso, mas maliit ang trabahong ginagawa ng gas?
Ang gawaing ginagawa ng mga gas sa prosesong adiabatic ay mas kaunti kaysa sa gawaing ginagawa ng mga gas sa prosesong isothermal. May lilim na lugar = gawaing ginagawa ng gas habang nasa proseso ng pagpapalawak (pagtaas ng volume ng gas). Ang may lilim na lugar sa prosesong adiabatic ay mas kaunti kaysa sa may lilim na lugar ng prosesong isothermal.
Tanong 2:
Ang mga prosesong termodinamika ay ipinapakita sa diagram sa ibaba. Ang mga kurba na ab at dc = mga prosesong isochoric (pare-parehong volume). Ang kurba na bc at ad = prosesong isobaric (pare-parehong pressure). Sa prosesong ab, ang init (Q) 600 Joules ay idinaragdag sa sistema. Sa prosesong bc, ang init (Q) 800 Joules ay idinaragdag sa sistema.
a) Mga pagbabago sa enerhiya sa prosesong ab
b) Mga pagbabago sa enerhiya sa prosesong abc
c) Kabuuang init na idinagdag sa proseso ng ADC
P1 = 2 x 105 Pa = 2 x 105 N / m2
P2 = 4 x 105 Pa = 4 x 105 N / m2
V 1 = 2 litro = 2 dm 3 = 2 x 10 -3 m 3
V 2 = 4 litro = 2 dm 3 = 4 x 10 -3 m 3
Solusyon
a) Mga pagbabago sa panloob na enerhiya sa prosesong ab
Sa prosesong ab, 600 J na init ang idinaragdag sa sistema. Prosesong ab = prosesong isochoric (constant volume). Sa prosesong isochoric, ang pagdaragdag ng init sa sistema ay nagpapataas lamang ng enerhiya sa sistema. Kaya, nagbabago ang enerhiya sa sistema pagkatapos makatanggap ng init:
ΔU = Q
ΔU = 600 J
b) Mga pagbabago sa enerhiya sa prosesong abc
Prosesong ab = prosesong isochoric (pare-parehong volume). Sa prosesong ab, 600 J na init ang idinaragdag sa sistema. Dahil sa pare-parehong volume, walang gawaing ginagawa ang sistema.
Proseso bc = prosesong isobaric (pare-parehong presyon). Sa prosesong bc, ang init (Q) na 800 Joules ay idinaragdag sa sistema. Sa prosesong isobaric, ang sistema ay maaaring gumawa ng trabaho. Ang dami ng trabahong ginagawa ng sistema sa prosesong bc (prosesong isobaric) ay:
W = P (V 2 – V 1 ) — pare-parehong presyon
W = P₂ ( V₂ – V₂1 )
W = 4 x 10⁻¹ N / m² ( 4 x 10⁻¹ -3 m³ – 2 x 10⁻¹ -3 m³ )
W = 4 x 10⁻¹ N / m² ( 2 x 10⁻¹ -3 m² )
W = 8 x 102 Joule
W = 800 Joule
Ang kabuuang init na idinagdag sa sistema sa prosesong abc ay:
Kabuuang Q = Q ab + Q bc
Kabuuang Q = 600 J + 800 J
Q kabuuan = 1400 Joules
Ang kabuuang trabahong isinagawa ng sistema sa prosesong abc ay:
Kabuuang W = W ab + W bc
Kabuuang W = 0 + W bc
Kabuuang W = 0 + 800 Joule
Kabuuang W = 800 Joule
Mga pagbabago sa panloob na enerhiya sa proseso abc = 600 J
c) Kabuuang init na idinagdag sa proseso ng ADC
Ang kabuuang init na idinagdag sa sistema ay maaaring kalkulahin gamit ang equation sa ibaba:
ΔU = Q – W
Q = ΔU + W
Kabuuang init na idinagdag sa proseso ng adc = mga pagbabago sa panloob na enerhiya sa adc + work in process adc.
Ang init at trabaho ay sangkot sa paglilipat ng enerhiya sa pagitan ng mga sistema at kapaligiran, habang ang mga pagbabago sa panloob na enerhiya ay resulta ng paglilipat ng enerhiya sa pagitan ng sistema at kapaligiran. Samakatuwid, ang pagbabago sa enerhiya ay hindi nakasalalay sa proseso ng paglilipat ng enerhiya. Sa kabilang banda, ang init at trabaho ay nakasalalay sa proseso. Sa prosesong isochoric (constant volume system), ang paglilipat ng enerhiya ay nasa anyo lamang ng init, habang ang trabaho ay hindi. Sa prosesong isobaric (constant pressure), ang paglilipat ng enerhiya ay kinabibilangan ng init at trabaho. Bagama't hindi nakadepende sa proseso, ang enerhiya ay nagbabago depende sa paunang estado at estado ng pangwakas na sistema. Kung ang mga paunang at pangwakas na estado ay pareho, ang mga pagbabago sa enerhiya ay palaging pareho, bagaman ang proseso ay magkakaiba.
Ang mga paunang at panghuling estado para sa prosesong abc sa graph sa itaas = mga paunang at panghuling estado ng prosesong adc. Kaya, ang mga pagbabago sa panloob na enerhiya sa proseso ng adc = 600 J.
Kabuuang (W) gawaing isinagawa sa adc = W proseso sa ad + W sa dc proseso.
Ang prosesong ad ay isang prosesong isobaric (pare-parehong presyon), habang ang prosesong dc ay isang prosesong isochoric (pare-parehong volume). Dahil sa pare-parehong volume, walang gawaing ginagawa sa prosesong dc. Una, kinakalkula natin ang gawaing ginagawa sa prosesong ad.
W ad = P (V 2 ‐ V 1 )
W ad = P 1 (V 2 ‐ V 1 )
W ad = 2 x 10⁻¹ N /m² ( 4 x 10‐3 m² ‐ 2 x 10‐3 m² )
W ad = 2 x 10⁻¹ N / m² ( 2 x 10‐3 m² )
W ad = 4 x 102 Joule
W ad = 400 Joule
Kabuuang W = W sa proseso a-d + W sa proseso d-c
Kabuuang W = 400 Joules + 0
Kabuuang W = 400 Joule
Kaya, ang dami ng init na idinagdag sa proseso ng ADC ay:
Q = ΔU + W
Q = 600 J + 400 J
Q = 1000 J
Tanong 3:
Ang 1 litro ng tubig ay nagiging 1671 litro ng singaw kapag pinakuluan sa 1 atm na presyon. Kalkulahin ang pagbabago ng panloob na enerhiya at ang gawaing ginagawa ng tubig kapag sumingaw … (Init ng pagsingaw para sa tubig = L V = 22.6 x 10 5 J/Kg)
Solusyon
Densidad ng tubig = 1000 kg/ m3
Init ng pagsingaw para sa tubig (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 litro = 1 dm 3 = 1 x 10 -3 m 3 (Dami ng tubig)
V 2 = 1671 litro = 1671 dm 3 = 1671 x 10 -3 m 3 (Dami ng singaw)
a) Mga pagbabago sa panloob na enerhiya
Mga pagbabago sa panloob na enerhiya = Init na idinagdag sa tubig binawasan ng Trabahong ginawa ng tubig kapag sumingaw. Unang bilang Init (Q) na idinagdag sa tubig …
Q = m L V
Densidad ng tubig = masa ng tubig / dami ng tubig
Masa ng tubig (m) = densidad ng tubig x dami ng tubig
Masa ng tubig (m) = (1000 kg/m³ ) ( 1 x 10⁻¹ -3 m³ )
Masa ng tubig (m) = (1000 kg/m3 ) (0.001 m3 )
Masa ng tubig (m) = 1 kg
Q = (1 kg) (22.6 x 105 J / kg)
Q = 22.6 x 10 5 J
Kalkulahin ang trabaho (W) na ginagawa ng tubig kapag sumingaw. Ang pagkulo ng tubig ay nangyayari sa pare-parehong presyon (prosesong isobaric).
W = p ( V₂ – V₂ )
W = 1.013 x 10⁻¹ N / m² ( 1671 x 10⁻¹ -3 m³ – 1 x 10⁻¹ -3 m³ )
W = 1.013 x 10⁻¹ N / m² ( 1670 x 10⁻¹ -3 m² )
W = 1691.71 x 105 Joules
W = 1.7 x 105 Joules
Mga pagbabago sa panloob na enerhiya ng tubig:
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
Ang init na 21 x 10 5 Joule na idinaragdag sa tubig ay ginagamit upang mapataas ang panloob na enerhiya (pagdaig sa mga puwersang tensile sa pagitan ng mga molekula na nagpapanatili sa tubig na likido). Sa madaling salita, ang 21 x 10 5 J ay ginagamit upang gawing singaw ang tubig. Kapag ang tubig ay naging singaw na, ang natitirang 1.7 x 10 5 J ay ginagamit upang magsagawa ng trabaho.
Tanong 4:
Ang 1 mole ng gas sa isang silindro ay mabilis na lumalawak nang adiabatic. Sa una, ang temperatura ng gas ay = 1000 K. Pagkatapos lumawak, ang temperatura ng gas ay bumababa sa 500 K. Tukuyin ang gawaing ginagawa ng gas …
Solusyon
Ang paglawak ng gas ay nangyayari nang adiabatic. Sa prosesong adiabatic, walang init na pumapasok o lumalabas sa sistema. Kaya, ang gawaing ginagawa sa gas = enerhiya ay nagbabago sa gas.
ΔU = Q – W o W = Q – ΔU → Q = 0
W = 0 – ΔU
W = – ΔU
Maaari nating kalkulahin ang mga pagbabago sa enerhiya sa gas gamit ang equation ng enerhiya sa ideal na gas:
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
Kaya, ang dami ng trabahong ginagawa ng gas ay:
W = – ΔU
W = – (- 6236.25 J)
W = 6236.25 J
