Izotermický proces

Izotermický proces je v termodynamice chemické nebo fyzikální transformace ze systému, během které se teplota systému je konstantní a rovnoměrné.

Popis

Aby byla zajištěna teplotní invariance, musí mezi systémem a vnějškem existovat přenos tepla nebo tepelná energie. Přenos tepla je úměrný teplotnímu rozdílu, zastaví se přirozeně, když jsou teploty stejné. Pokud izolační bariéra zpomaluje přenos tepla, existuje teplotní rozdíl, který trvá určitou dobu. Aby rozdíl teplot zůstal nulový, musí být přenos tepla nutný k vyrovnání tohoto rozdílu okamžitý, bez jakékoli brzdy. Jinými slovy, teplotní variace zůstává nulová (ΔT = 0) právě tehdy, je-li teplo vyměňované mezi systémem a venkovním prostorem maximální.

Množství přeneseného tepla může být nulové, pokud pozorovaný proces nezpůsobí teplotní rozdíl. Izotermický proces se vyznačuje volností toku tepelné energie, absencí brzd, odporem nebo izolací.

Během izotermického procesu je teplota systému konstantní, což znamená, že transformace je kvazistatická a reverzibilní. Izotermický proces se liší od monotermálního procesu, při kterém je teplota také stejná na začátku a na konci transformace, ale může se během ní měnit.

Aplikace na ideální plyny

V případě ideálního plynu :

p = {nRT \ přes V}

nebo:

$p$ je tlak plynu (v pascalech );
$PROTI$ je objem obsazený plynem (v metrech krychlových );
$ne$ je množství hmoty (v molech );
$R$ je univerzální konstanta ideálních plynů (v joulech na mol a na kelvin );
$T$ je absolutní teplota (v Kelvinech ).

To odpovídá rodině konstantních teplotních křivek, které lze vykreslit na termodynamický diagram pV nebo Clapeyronův diagram . Takový graf poprvé použil James Watt, aby poznal účinnost parních strojů. Každá křivka odpovídá dané teplotě.

Výpočet práce v termodynamice odpovídá změně potenciální energie mezi stavem v a v : $NA$ $B$

{\ displaystyle W_ {A \ to B} = - \ int _ {V_ {A}} ^ {V_ {B}} p \, \ mathrm {d} V}

U reverzibilního izotermického procesu to odpovídá integrálu oblasti pod izotermickou linií představované teplotou uvedenou v předchozím diagramu:

{\ displaystyle W_ {A \ to B} = - \ int _ {V_ {A}} ^ {V_ {B}} p \, \ mathrm {d} V = - \ int _ {V_ {A}} ^ { V_ {B}} {nRT \ over V} \ mathrm {d} V = -nRT \ int _ {V_ {A}} ^ {V_ {B}} {1 \ over V} \ mathrm {d} V = - nRT \ ln {V_ {B} \ přes V_ {A}}}

Srovnání práce mezi izotermickým procesem a adiabatickým procesem

Adiabatický proces se považuje za ideální teoretické reference, který znázorňuje chování bez tepelných ztrát, které číselně se dosáhne celkové energetické účinnosti o 100%.

Práce potřebná pro izotermickou kompresi je větší než práce potřebná pro stejnou adiabatickou kompresi. V adiabatickém případě se plyn zahřívá kompresí a jeho konečná teplota je vyšší než jeho počáteční teplota. V izotermickém případě je teplo vypouštěno ze systému: další práce pozorovaná v souvislosti s adiabatickou kompresí odpovídá teplu ztracenému systémem. Z toho lze odvodit, že teoretická energetická účinnost izotermické komprese je menší než 100%, což lze najít například při studiu Carnotova cyklu.

Práce vyplývající z izotermické expanze je větší než práce vyplývající ze stejné adiabatické expanze. V adiabatickém případě je plyn ochlazen expanzí a jeho konečná teplota je nižší než jeho počáteční teplota. V izotermickém případě může do systému vstupovat teplo: dodatečná práce pozorovaná v souvislosti s adiabatickou roztažností odpovídá teplu získanému systémem. Z toho lze odvodit, že teoretická energetická účinnost izotermické expanze je větší než 100%, což lze najít například při studiu chladicího stroje.

Aplikace

Izotermický proces se účastní různých technických a biologických aplikací:

v tepelném motoru jsou dvě části Carnotova cyklu izotermické;
že fázové přechody ( tání , odpařování , kondenzace , atd. ), jsou izotermický.