Ισοθερμική Διαστολή

Το Iso σημαίνει σταθερή και το θερμικό σημαίνει θερμοκρασία. Ισόθερμες διεργασίες είναι οι διεργασίες στις οποίες η θερμοκρασία είναι σταθερή. Η διαστολή πραγματοποιείται όταν αυξάνεται ο όγκος του συστήματος ή όταν μειώνεται η πίεση. Ισόθερμη διαστολή είναι η διαδικασία διαστολής κατά την οποία η θερμοκρασία είναι σταθερή. Η διαδικασία διατηρεί τη θερμική ισορροπία.

Τι είναι η ισοθερμική επέκταση;

Η ισοθερμική διαστολή είναι μια θερμοδυναμική διαδικασία κατά την οποία η θερμοκρασία του συστήματος δεν μεταβάλλεται.

Εδώ, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε πρώτα τα θερμοδυναμικά συστήματα και διαδικασίες.

Θερμοδυναμική

Η θερμοδυναμική ασχολείται με τη μεταφορά θερμικής ενέργειας μεταξύ του συστήματος και του περιβάλλοντος, τη μετατροπή αυτής της θερμικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια και αντίστροφα.

Θερμοδυναμικό σύστημα

Ένα θερμοδυναμικό σύστημα είναι μια συλλογή μεγάλου αριθμού μορίων ή ατόμων που περικλείονται σε μια συγκεκριμένη περιοχή με μια συγκεκριμένη πίεση (P), όγκο (V) και θερμοκρασία (T).

Ο όρος "περιβάλλον" αναφέρεται σε οτιδήποτε εκτός αυτού του συστήματος με το οποίο ανταλλάσσεται θερμότητα ή μάζα.

Τα θερμοδυναμικά συστήματα ταξινομούνται σε τρεις ομάδες με βάση τη διασύνδεση μεταξύ ενός συστήματος και του περιβάλλοντός του:

• Ανοιχτό σύστημα:Εάν η θερμότητα και η μάζα ανταλλάσσονται με το περιβάλλον και το περιβάλλον του συστήματος.
• Κλειστό σύστημα:Εάν δεν υπάρχει ανταλλαγή μάζας, αλλά μπορεί να γίνει ανταλλαγή θερμότητας.
• Απομονωμένο σύστημα:Εάν δεν υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας και μάζας με το περιβάλλον και το περιβάλλον του συστήματος.

Εξίσωση κατάστασης (για ιδανικά αέρια)

Η εξίσωση κατάστασης είναι η σχέση μεταξύ των P, V, T του θερμοδυναμικού συστήματος. PV =nRT είναι η εξίσωση κατάστασης για ένα ιδανικό αέριο με n moles.

Οι παράμετροι P, V και T είναι επίσης γνωστές ως θερμοδυναμικές μεταβλητές.

Εργασία που γίνεται με αέριο

Λαμβάνοντας υπόψη τον όγκο (V), την πίεση (P) του αερίου και την περιοχή του εμβόλου (A), F =PA είναι η δύναμη που ασκείται στο έμβολο από το αέριο.

Αφήστε το έμβολο να διανύσει μια μέτρια απόσταση dx κατά τη διάρκεια της διαστολής αερίου.

dW =Fdx =PAdx είναι η εργασία που γίνεται για μια μικρή μετατόπιση dx.

Εφόσον A dx =dV, η αύξηση του όγκου του αερίου είναι dV.

⇒ dW =P dV

ή W =∫ dW =∫ PdV

Η εργασία που γίνεται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αντιπροσωπεύεται από την περιοχή που περιέχεται στην καμπύλη P-V.

Επισκόπηση της ισοθερμικής επέκτασης

Η θερμοκρασία του συστήματος παραμένει αμετάβλητη κατά τη διάρκεια αυτού του τύπου διαστολής. Υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας τόσο μεταξύ του συστήματος όσο και του περιβάλλοντος. Το σύστημα θα πρέπει να συμπιέζεται ή να διαστέλλεται αργά για να επιτρέπεται η κατάλληλη ανταλλαγή θερμότητας και να διατηρείται η θερμοκρασία σταθερή.

Κλίση της καμπύλης P-V σε μια ισοθερμική διεργασία:

PV =σταθερά =C

⇒ dP / dV =– P / V

Εργασία που έγινε στην ισοθερμική διαδικασία:

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

W =nRT ln Vf / Vi

[Εάν Vf> Vi (πραγματοποιείται επέκταση), τότε το W είναι θετικό]

[Εάν 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 αλλαγή θερμοκρασίας είναι μηδέν.

C_{ισόθερμο} =△Q / n△T =άπειρο.

Εξίσωση ισοθερμικής διαστολής για ένα ιδανικό αέριο

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

Έτσι, η εξίσωση της ισοθερμικής διαστολής 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 διαστολή. Έστω η αρχική κατάσταση ως 1 και η τελική κατάσταση ως 2.

Η εξίσωση αυτού του συστήματος μπορεί να γραφτεί ως

P1V1=P2V2=Σταθερό

Παράδειγμα ισοθερμικής διαστολής

Η βύθιση της συσκευής σε μια μεγάλη δεξαμενή και η αργή εκτέλεση της λειτουργίας μπορεί να οδηγήσει σε μια ισοθερμική διαδικασία. Επομένως, η θερμοκρασία του συστήματος παραμένει ίδια με τη θερμοκρασία της δεξαμενής. Εάν είναι απαραίτητο, η δεξαμενή και το σύστημα μπορούν να ανταλλάξουν θερμότητα.

Όταν το αέριο τοποθετείται σε έναν μεταλλικό κύλινδρο (ο οποίος είναι εξαιρετικός αγωγός της θερμότητας) και το έμβολο κινείται αργά, η θερμοκρασία του αερίου δεν μεταβάλλεται. Διατηρεί την ίδια θερμοκρασία με τον περιβάλλοντα αέρα. Η θερμοκρασία αυξάνεται εάν η θερμότητα μεταφέρεται από το αέριο στον αέρα μέσω των μεταλλικών τοιχωμάτων. Η θερμοκρασία πέφτει εάν η θερμότητα μεταφερθεί από τον περιβάλλοντα αέρα στο αέριο μέσω των μεταλλικών τοιχωμάτων—ο περιβάλλον αέρα λειτουργεί ως μια μεγάλη δεξαμενή εδώ.

Συμπέρασμα

Η ισοθερμική διαστολή είναι η θερμοδυναμική διαδικασία αύξησης του όγκου ή μείωσης της πίεσης όταν η θερμοκρασία του συστήματος είναι σταθερή. Η διαδικασία διατηρεί την κατάσταση της θερμικής ισορροπίας. Η εργασία που γίνεται σε μια ισοθερμική διαστολή είναι θετική καθώς το κάνει το σύστημα.