Ισοθερμική Συμπίεση

Το Iso σημαίνει σταθερή και το θερμικό σημαίνει θερμοκρασία. Ισόθερμες διεργασίες είναι οι διεργασίες στις οποίες η θερμοκρασία είναι σταθερή. Συμπίεση είναι η διαδικασία κατά την οποία ο όγκος του συστήματος μειώνεται ή αυξάνεται η πίεση. Ισόθερμη συμπίεση είναι η διαδικασία συμπίεσης κατά την οποία η θερμοκρασία είναι σταθερή. Είναι μια θερμοδυναμική διαδικασία που συμβαίνει σε ένα κλειστό σύστημα. Η διαδικασία διατηρεί τη θερμική ισορροπία.

Τι είναι η θερμική ισορροπία;

Θερμική ισορροπία είναι η κατάσταση στην οποία η θερμοκρασία είναι σταθερή σε όλο το σύστημα. Δύο αντικείμενα λέγεται ότι βρίσκονται σε θερμική ισορροπία όταν η θερμοκρασία τους είναι η ίδια.

Για παράδειγμα, τα αντικείμενα Α και Β έχουν ομοιόμορφη θερμοκρασία 20 βαθμών Κελσίου. Τα αντικείμενα λέγεται ότι βρίσκονται σε θερμική ισορροπία. Ομοίως, το σύστημα με ομοιόμορφη θερμοκρασία 20 βαθμών Κελσίου βρίσκεται επίσης σε θερμική ισορροπία.

Εξίσωση ιδανικού αερίου

Το ιδανικό αέριο είναι ένα θεωρητικό αέριο που αποτελείται από σωματίδια ή μόρια που απωθούν το ένα το άλλο. Τα ιδανικά μόρια αερίου μπορούν να επεκταθούν σε όλο τον χώρο που τους παρέχεται. Ο όγκος των μορίων ή των σωματιδίων υποτίθεται ότι είναι μηδέν. Το ιδανικό αέριο ακολουθεί την εξίσωση ιδανικού αερίου που μπορεί να αναπαρασταθεί ως,

PV =nRT

όπου P είναι η πίεση του αερίου, V είναι ο όγκος του αερίου, n είναι ο αριθμός γραμμομορίων, R είναι η καθολική σταθερά του αερίου και T είναι η θερμοκρασία του αερίου.

Εξίσωση ισοθερμικής συμπίεσης για ένα ιδανικό αέριο

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ένα ιδανικό αέριο ακολουθεί την εξίσωση PV =nRT. Τώρα, για μια διαδικασία ισοθερμικής συμπίεσης, η θερμοκρασία του συστήματος είναι σταθερή. Υποθέστε ένα κλειστό σύστημα, ο αριθμός των moles, n, θα είναι επίσης σταθερός.

Έτσι, η εξίσωση της ισοθερμικής συμπίεσης μπορεί να γραφτεί ως

PV =C

Όπου C είναι η σταθερά.

Η παραπάνω εξίσωση μπορεί επίσης να γραφτεί ως

T =Σταθερά

T =0

Υποθέστε ένα σύστημα υπό ισοθερμική συμπίεση. Έστω ότι η αρχική κατάσταση αντιπροσωπεύεται ως 1 και η τελική κατάσταση ως 2. 

Η εξίσωση αυτού του συστήματος μπορεί να γραφτεί ως

P1V1=P2V2=Σταθερό

Γράφημα της διαδικασίας ισοθερμικής συμπίεσης

Η καμπύλη P-V της διαδικασίας ισοθερμικής συμπίεσης μεταξύ των καταστάσεων 1 και 2 μπορεί να αναπαρασταθεί ως:

Τα ακόλουθα πράγματα μπορούν να παρατηρηθούν από την παραπάνω καμπύλη:

1. Η διαδικασία ακολουθεί τη διαδρομή 1-2.
2. Η πίεση στην κατάσταση 2 είναι μεγαλύτερη από την πίεση στην κατάσταση 1.
3. Ο όγκος του συστήματος μειώνεται από την κατάσταση 1 σε 2.

Εργασία που γίνεται με ισοθερμική διαδικασία

Το έργο που γίνεται από μια ισοθερμική διαδικασία είναι η ενσωμάτωση του dW όπου dW είναι το έργο μετατόπισης ή PdV.

Σε αυτή τη διαδικασία, το αέριο ακολουθεί το νόμο του Boyle (ιδανικό αέριο) και η εργασία που γίνεται από το αέριο είναι

W =nRT ln (Vf / Vi)

όπου  Vf

Αυτή είναι επίσης η ποσότητα της θερμότητας που μεταφέρεται όταν ο όγκος του αερίου αλλάζει από Vi σε Vf. Η μοριακή θερμοχωρητικότητα του συστήματος σε μια τέτοια διαδικασία είναι άπειρη επειδή η διαφορά θερμοκρασίας είναι μηδέν.

Παραδείγματα ισοθερμικής συμπίεσης

Οποιαδήποτε συμπίεση έχει σταθερή ή μηδενική διαφορά θερμοκρασίας είναι η διαδικασία ισοθερμικής συμπίεσης. Αυτές οι διαδικασίες είναι πολύ αργές, καθώς το σύστημα χρειάζεται χρόνο για να διατηρήσει μια σταθερή θερμοκρασία. Για παράδειγμα, ζεστάνετε ένα βάζο γεμάτο με νερό με συρόμενο καπάκι. Οι απώλειες αγνοούνται εδώ καθώς η ιδανική διαδικασία ισοθερμικής συμπίεσης είναι αδύνατο να επιτευχθεί.

Η καμπύλη όγκου πίεσης μιας διεργασίας ισοθερμικής συμπίεσης μπορεί να αναπαρασταθεί ως

Οι δύο παραπάνω καμπύλες αντιπροσωπεύουν την ισοθερμική διαδικασία όπου η θερμοκρασία είναι σταθερή και η πίεση αυξάνεται ή ο όγκος μειώνεται. Η εργασία που γίνεται θεωρείται αρνητική εδώ, καθώς το σύστημα πρέπει να λειτουργήσει για τη διαδικασία συμπίεσης. Η εργασία που γίνεται από ένα σύστημα είναι θετική ποσότητα καθώς είναι σύμβαση και το αντίστροφο.

Συμπέρασμα

Η ισοθερμική συμπίεση είναι η θερμοδυναμική διαδικασία μείωσης του όγκου ή αύξησης της πίεσης όταν η θερμοκρασία του συστήματος είναι σταθερή. Η διαδικασία διατηρεί την κατάσταση της θερμικής ισορροπίας. Μάθαμε για τα θερμοδυναμικά συστήματα, τους τύπους θερμοδυναμικών διεργασιών και τις λεπτομέρειες σχετικά με τις διαδικασίες ισοθερμικής συμπίεσης. Συζητείται επίσης η εργασία που γίνεται σε μια διαδικασία ισοθερμικής συμπίεσης, η οποία είναι μια αρνητική εργασία καθώς παρέχεται από το εξωτερικό.