Maqola Termodinamik jarayonlar: Izotermik Adiabatik Izoxorik Izobarik
To'rtta termodinamik jarayon mavjud, ya'ni izotermik, izoxorik, izobarik va adiabatik jarayonlar.
Izotermik jarayon (doimiy harorat)
Izotermik jarayonda tizim harorati doimiy ravishda saqlanadi. Nazariy jihatdan, tahlil qilinayotgan tizim ideal gazdir. Ideal gaz harorati ideal ichki gaz energiyasiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir (U = 3/2 n RT). T o'zgarmaydi, shuning uchun U ham o'zgarmaydi. Shunday qilib, agar izotermik jarayonga qo'llanilsa, termodinamik tenglamaning birinchi qonuni quyidagicha bo'ladi:
Δ U = Q – W
Ichki energiya o'zgarmaydi, shuning uchun Δ U = 0.
0 = Q – W
Q = W
Ushbu tenglamaga asoslanib, izotermik jarayonda (doimiy harorat), tizimga qo'shilgan issiqlik (Q) tizim tomonidan ish (W) bajarish uchun ishlatiladi.
Izotermik jarayonda tizim bosimi va hajmining o'zgarishi quyidagi grafikda ko'rsatilgan:
Birinchi tizim hajmi = V1 (kichik hajm) va tizim bosimi = P1 (katta bosim). Tizim harorati doimiy bo'lishi uchun tizimga issiqlik qo'shilgandan so'ng, tizim kengayadi va atrof-muhitga ta'sir qiladi. Tizim atrof-muhitga ta'sir qilgandan so'ng, tizim hajmi V ga o'zgaradi.2 (tizim hajmi oshadi) va tizim bosimi P ga o'zgaradi2 (tizim bosimining pasayishi). Grafik shakli egri, chunki tizim bosimi jarayon davomida muntazam ravishda o'zgarmaydi. Bajarilgan ish miqdori tizim = soyali maydon.
Adiabatik jarayon
Adiabatik jarayonda tizimga issiqlik qo'shilmaydi yoki tizimdan chiqmaydi (Q = 0). Adiabatik jarayonlar yaxshi izolyatsiyalangan yopiq tizimlarda sodir bo'lishi mumkin. Yaxshi izolyatsiyalangan yopiq tizim uchun odatda tizimga oqib tushadigan yoki tizimdan chiqadigan issiqlik bo'lmaydi. Adiabatik jarayonlar izolyatsiyalanmagan yopiq tizimlarda ham sodir bo'lishi mumkin.
Bu holda, jarayon tez bajarilishi kerak, shunda issiqlik tizimga oqib o'tmaydi yoki tizimdan chiqmaydi. Agar adiabatik jarayonga qo'llanilsa, birinchi qonun Termodinamik tenglama o'zgaradi:
Δ U = Q – W
Tizimga issiqlik kirmaydi yoki chiqmaydi, shuning uchun Q = 0.
Δ U = 0 – W
Δ U = -W
Agar tizim tez bosilsa (tizimda ish bajarilsa), u holda ish manfiy bo'ladi. Chunki W manfiy bo'lsa, u holda U musbat bo'ladi (tizimdagi energiya ortadi). Aksincha, agar tizim tez kengaysa (tizim ishlaydi), u holda W musbat bo'ladi. W musbat bo'lgani uchun U manfiy bo'ladi (tizimdagi energiya kamayadi). Tizimdagi energiya (ideal gaz) haroratga mutanosib (U = 3/2 n RT), shuning uchun agar tizimdagi energiya oshsa, tizim harorati ham oshadi. Aksincha, agar tizimdagi energiya kamaysa, u holda tizim harorati pasayadi.
Adiabatik jarayonda tizim bosimi va hajmining o'zgarishi quyidagi grafikda ko'rsatilgan:
Ushbu grafikdagi adiabatik egri chiziq (1-2 egri chiziqlar) izotermik egri chiziqdan (1-3 egri chiziqlar) tikroq. Bu tiklik farqi shuni ko'rsatadiki, bir xil hajm oshishi uchun adiabatik jarayonda tizim bosimi izotermik jarayonga qaraganda ko'proq kamayadi. Tizim bosimi adiabatik jarayonda ko'proq pasayadi, chunki adiabatik kengayish sodir bo'lganda tizim harorati ham pasayadi. Harorat bosimga mutanosib, shuning uchun agar tizim harorati pasaysa, tizim bosimi ham pasayadi. Izotermik jarayondan farqli o'laroq, tizim harorati har doim o'zgarmas bo'ladi. Shunday qilib, izotermik jarayonda harorat bosim pasayishiga ta'sir qilmaydi.
Adiabatik jarayonning bir misoli, dizel dvigateli va benzinli dvigatel kabi ichki yonish dvigatelida sodir bo'ladi. Dizel dvigatellarida havo silindrga kiritiladi va silindr ichidagi havo piston yordamida tezda bosiladi (ish havoda bajariladi). Adiabatik siqish jarayoni (tizim hajmini kamaytirish) 2-1 egri chiziq bilan ko'rsatilgan. Tez adiabatik bosim tufayli harorat tez ko'tariladi. Shu bilan birga, dizel injektor orqali silindrga purkaladi va aralashma darhol ishga tushiriladi. Benzinli dvigatelda havo va benzin aralashmasi silindrga kiritiladi va keyin piston yordamida tez bosiladi. U tez adiabatik ravishda itarilganligi sababli, harorat tez ko'tariladi. Shu bilan birga, uchqun shamlari yonadi, natijada yonish jarayoni sodir bo'ladi.
Izoxorik jarayon (doimiy hajm)
Izoxorik jarayonda tizim hajmi doimiy ravishda saqlanadi. Tizim hajmi har doim doimiy bo'lgani uchun tizim muhitda ishlay olmaydi. Muhit ham tizimda ishlay olmaydi. Agar izoxorik jarayonga qo'llanilsa, termodinamik tenglamaning birinchi qonuni quyidagicha o'zgaradi:
Δ U = Q – W
Tizim muhitda ishlamaydi, shuning uchun W = 0
Δ U = Q – 0
Δ U = Q
Ushbu natijadan xulosa qilishimiz mumkinki, izoxorik jarayonda (doimiy hajm) tizimga qo'shilgan issiqlik (Q) tizimdagi energiyani oshirish uchun ishlatiladi. Izoxorik jarayonda tizim bosimi va hajmining o'zgarishi quyidagi grafikda ko'rsatilgan:
Dastlab, tizim bosimi = p 1 (kichik bosim). Tizimning qo'shimcha issiqligi tizimdagi energiyaning oshishiga olib keladi. Tizimdagi energiya oshishi bilan tizim harorati (ideal gaz) oshadi (U = 3/2 n RT). Harorat bosimga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir. Shuning uchun, agar tizim harorati oshsa, tizim bosimi oshadi (p 2 ). Tizim hajmi doimiy bo'lgani uchun hech qanday ish bajarilmaydi (soyali maydon yo'q).
Izoxorik jarayonda tizim muhit ustida ishlay olmaydi. Xuddi shunday, muhit ham tizim ustida ishlay olmaydi. Buning sababi, izoxorik jarayonda tizim hajmi har doim o'zgarmasdir. Hajm o'zgarishini o'z ichiga olmaydigan ma'lum turdagi ishlar mavjud. Shunday qilib, tizim hajmi o'zgarmasa ham, tizim ustida ish bajarilishi mumkin. Masalan, yopiq idishda ventilator + batareya mavjud. Ventilyator batareya energiyasidan foydalanib aylanishi mumkin. Bu holda, idish ichidagi ventilatorlar, batareyalar va havo tizimlar deb hisoblanadi.
Ventilyator aylanganda, ventilyator ishlaydi, idishda mavjud bo'ladi. Shu bilan birga, ventilyatorning kinetik energiyasi havodagi energiyaga aylanadi. Batareyadagi elektr energiyasi, albatta, kamayadi, chunki u shaklini o'zgartirib, havodagi energiyaga aylangan. Bu misol shuni ko'rsatadiki, izoxorik jarayonda (hajm har doim o'zgarmas) tizimda hali ham ish bajarilishi mumkin (hajm o'zgarishini o'z ichiga olmaydigan ish).
Izobarik jarayon (doimiy bosim)
Izobarik jarayonda tizim bosimi doimiy ravishda saqlanadi. Bosim doimiy bo'lgani uchun izobarik jarayonda ichki energiya o'zgarishi ( Δ U), issiqlik (Q) va ish (W) nolga teng emas. Shunday qilib, birinchi qonun termodinamika formulasi o'zgarmadi.
ΔU = Q − W
Izobarik jarayonda bosim va gaz hajmining o'zgarishi quyidagi grafikda ko'rsatilgan:
Birinchidan, tizim hajmi = V1 (kichik hajm). Bosim doimiy ravishda saqlanib qolganligi sababli, tizimga issiqlik qo'shilgandan so'ng, tizim kengayadi va atrof-muhit ustida ishlaydi. Atrof-muhit ustida ishlagandan so'ng, tizim hajmi V ga o'zgaradi.2 (tizim hajmining oshishi). Bajarilgan ish hajmi (Vt) tizim = soyali maydon.
Savol 1:
Quyidagi ikkita diagrammadagi 1-2 egri chiziqlar adiabatik va izotermik ravishda sodir bo'ladigan gazning kengayishini (gaz hajmining oshishi) ko'rsatadi. Qaysi jarayonda gaz tomonidan bajariladigan ish kichikroq bo'ladi?
Adiabatik jarayonda gazlar tomonidan bajarilgan ish izotermik jarayondagi gazlar tomonidan bajarilgan ishdan kamroq. Soyali maydon = kengayish jarayonida gaz tomonidan bajarilgan ish (gaz hajmining oshishi). Adiabatik jarayonda soyali maydon izotermik jarayonning soyali maydonidan kamroq.
Savol 2:
Termodinamik jarayonlar quyidagi diagrammada ko'rsatilgan. ab va dc egri chiziqlari = izoxorik jarayonlar (doimiy hajm). bc va ad egri chiziqlari = izobarik jarayon (doimiy bosim). ab jarayonida tizimga 600 Joul issiqlik (Q) qo'shiladi. bc jarayonida tizimga 800 Joul issiqlik (Q) qo'shiladi.
a) Qon aylanishi jarayonida energiya o'zgarishi
b) abc jarayonida energiya o'zgarishlari
c) ADC jarayoniga qo'shilgan umumiy issiqlik
P1 = 2 x 10 5 Pa = 2 x 10 5 N / m2
P2 = 4 x 10 5 Pa = 4 x 10 5 N / m2
V 1 = 2 litr = 2 dm 3 = 2 x 10 -3 m 3
V 2 = 4 litr = 2 dm 3 = 4 x 10 -3 m 3
qaror
a) ab jarayonida ichki energiya o'zgarishlari
ab jarayonida tizimga 600 J issiqlik qo'shiladi. ab jarayoni = izoxorik jarayon (doimiy hajm). Izoxorik jarayonda tizimga issiqlik qo'shilishi faqat tizimdagi energiyani oshiradi. Shunday qilib, issiqlikni olgandan keyin tizimda energiya o'zgaradi:
ΔU = Q
ΔU = 600 J
b) abc jarayonida energiya o'zgarishlari
ab jarayoni = izoxorik jarayon (doimiy hajm). ab jarayonida tizimga 600 J issiqlik qo'shiladi. Doimiy hajm tufayli tizim tomonidan hech qanday ish bajarilmaydi.
bc jarayoni = izobarik jarayon (doimiy bosim). bc jarayonida tizimga 800 Joul issiqlik (Q) qo'shiladi. Izobarik jarayonda tizim ish bajarishi mumkin. bc jarayonida (izobarik jarayon) tizim tomonidan bajarilgan ish miqdori quyidagicha:
W = P (V2 – V1 ) — doimiy bosim
W = P2 ( V2 – V1 )
Vt = 4 x 10 5 N/m 2 (4 x 10 -3 m 3 – 2 x 10 -3 m 3 )
Vt = 4 x 10 5 N/m 2 (2 x 10 -3 m 3 )
W = 8 x 10 2 Joul
W = 800 Joul
abc jarayonida tizimga qo'shilgan umumiy issiqlik quyidagicha:
Q jami = Q ab + Q bc
Q jami = 600 J + 800 J
Q jami = 1400 Joules
abc jarayonida tizim tomonidan bajarilgan umumiy ish quyidagicha:
W jami = W ab + W bc
W jami = 0 + W bc
W jami = 0 + 800 Joul
W jami = 800 Joule
abc = 600 J jarayonida ichki energiya o'zgarishlari
c) ADC jarayoniga qo'shilgan umumiy issiqlik
Tizimga qo'shilgan umumiy issiqlik miqdorini quyidagi tenglama yordamida hisoblash mumkin:
ΔU = Q – W
Q = ΔU + W
Jarayonga qo'shilgan umumiy issiqlik adc = adcdagi ichki energiya o'zgarishlari + jarayondagi ish adc.
Issiqlik va ish tizimlar va atrof-muhit o'rtasida energiya uzatishda ishtirok etadi, ichki energiya o'zgarishlari esa tizim va atrof-muhit o'rtasidagi energiya uzatish natijasidir. Shuning uchun energiyaning o'zgarishi energiya uzatish jarayoniga bog'liq emas. Boshqa tomondan, issiqlik va ish jarayonga bog'liq. Izoxorik jarayonda (doimiy hajm tizimi) energiya uzatish faqat issiqlik shaklida bo'ladi, ish esa emas. Izobarik jarayonda (doimiy bosim) energiya uzatish issiqlik va ish bilan bog'liq. Jarayonga bog'liq bo'lmasa-da, energiya boshlang'ich holatga va oxirgi tizimning holatiga qarab o'zgaradi. Agar boshlang'ich va oxirgi holatlar bir xil bo'lsa, energiyaning o'zgarishi har doim bir xil bo'ladi, garchi jarayon boshqacha bo'lsa ham.
Yuqoridagi grafikda ko'rsatilgan abc jarayoni uchun boshlang'ich va oxirgi holatlar = adc jarayonining boshlang'ich va oxirgi holatlari. Shunday qilib, adc jarayonida ichki energiya o'zgaradi = 600 J.
adc da bajarilgan umumiy ish (W) = ad da W jarayoni + dc jarayonida W.
ad jarayoni izobarik jarayon (doimiy bosim), doimiy tok jarayoni esa izoxorik jarayon (doimiy hajm). Doimiy hajm tufayli doimiy tok jarayonida hech qanday ish bajarilmaydi. Birinchidan, biz ad jarayonida bajarilgan ishni hisoblaymiz.
W ad = P ( V2 ‐ V1 )
W ad = P1 ( V2 ‐ V1 )
Vt = 2 x 10 5 N/m 2 (4 x 10-3 m 3 ‐ 2 x 10-3 m 3 )
Vt = 2 x 10 5 N/m 2 (2 x 10 ‐3 m 3 )
W ad = 4 x 10 2 Joule
W ad = 400 Joule
Jami W = a-d jarayonidagi W + d-c jarayonidagi W
W jami = 400 Joules + 0
W jami = 400 Joule
Shunday qilib, ADC jarayoniga qo'shilgan issiqlik miqdori quyidagicha:
Q = ΔU + W
Q = 600 J + 400 J
Q = 1000 J
Savol 3:
1 litr suv 1 atm bosimda qaynatilganda 1671 litr bug'ga aylanadi. Bug'langanda ichki energiyaning o'zgarishini va suvning bajargan ishini hisoblang... (Suvning bug'lanish issiqligi = L V = 22.6 x 105 J /Kg)
qaror
Suv zichligi = 1000 kg/ m3
Suvning bug'lanish issiqligi (L V ) = 22.6 x 105 J / kg
P = 1 atm = 1.013 x 10 5 Pa = 1.013 x 10 5 N/ m2
V 1 = 1 litr = 1 dm 3 = 1 x 10 -3 m 3 (Suv hajmi)
V 2 = 1671 litr = 1671 dm 3 = 1671 x 10 -3 m 3 (Bug' hajmi)
a) Ichki energiyaning o'zgarishi
Ichki energiyaning o'zgarishi = Suvga qo'shilgan issiqlik minus bug'langanda suv tomonidan bajarilgan ish. Birinchi hisoblash Suvga qo'shilgan issiqlik (Q) …
Q = m L V
Suv zichligi = suv massasi / suv hajmi
Suv massasi (m) = suv zichligi x suv hajmi
Suv massasi (m) = (1000 kg/m3 ) ( 1 x 10 -3 m3 )
Suv massasi (m) = (1000 kg/m3 ) (0.001 m3 )
Suv massasi (m) = 1 kg
Q = (1 kg) (22.6 x 10 5 J / kg)
Q = 22.6 x 10 5 J
Suv bug'langanda bajargan ishni (Vt) hisoblang. Suvning qaynashi doimiy bosimda sodir bo'ladi (izobarik jarayon).
W = p ( V2 – V1 )
Vt = 1.013 x 10 5 N/m 2 (1671 x 10 -3 m 3 – 1 x 10 -3 m 3 )
Vt = 1.013 x 10 5 N/m 2 (1670 x 10 -3 m 3 )
W = 1691.71 x 105 Joules
W = 1.7 x 105 Joules
Suvning ichki energiyasidagi o'zgarishlar:
ΔU = Q – W
DU = 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
Suvga qo'shilgan 21 x 10 5 Joul issiqligi ichki energiyani oshirish uchun ishlatiladi (suvni suyuq holatda ushlab turuvchi molekulalar orasidagi tortishish kuchlarini yengib o'tish). Boshqacha qilib aytganda, 21 x 10 5 J suvni bug'ga aylantirish uchun ishlatiladi. Suv bug'ga aylanganda, qolgan 1.7 x 105 J ish bajarish uchun ishlatiladi.
Savol 4:
Ballondagi 1 mol gaz tez adiabatik kengayadi. Dastlab, gaz harorati = 1000 K. Kengaygandan so'ng, gaz harorati 500 K gacha pasayadi. Gazning bajargan ishini aniqlang...
qaror
Gazning kengayishi adiabatik tarzda sodir bo'ladi. Adiabatik jarayonda tizimga issiqlik kirmaydi yoki chiqmaydi. Shunday qilib, gazda bajarilgan ish = gazdagi energiya o'zgarishi.
ΔU = Q – W yoki W = Q – Δ U → Q = 0
W = 0 – ΔU
W = – ΔU
Ideal gazdagi energiya tenglamasidan foydalanib, gazdagi energiya o'zgarishlarini hisoblashimiz mumkin:
DU = 3/2 (1 mol) (8.315 J / mol. K) (500 K - 1000 K)
DU = 3/2 (1 mol) (8.315 J / mol. K) (- 500 K)
ΔU = -6236.25 J
Shunday qilib, gaz tomonidan bajariladigan ish hajmi:
W = – ΔU
W = – (- 6236.25 J)
Vt = 6236.25 J
