Co to jest proces termodynamiczny?
A jakie są główne typy?
Silnik samochodowy to rodzaj silnika cieplnego. Artur Azizkhanian/EyeEm/Getty Images
System przechodzi proces termodynamiczny, gdy zachodzi jakaś zmiana energetyczna w systemie, ogólnie związana ze zmianami ciśnienia, objętości, energia wewnętrzna , temperatura lub jakikolwiek inny wymiana ciepła .
Główne typy procesów termodynamicznych
Istnieje kilka specyficznych typów procesów termodynamicznych, które zdarzają się na tyle często (iw praktycznych sytuacjach), że są powszechnie traktowane w badaniach termodynamiki. Każdy ma unikalną cechę, która go identyfikuje i która jest przydatna w analizie zmian energii i pracy związanych z procesem.
- Proces adiabatyczny - proces bez przenoszenia ciepła do lub z systemu.
- Proces izochoryczny - proces bez zmiany objętości, w którym to przypadku system nie działa.
- Proces izobaryczny - proces bez zmiany ciśnienia.
- Proces izotermiczny - proces bez zmiany temperatury.
Możliwe jest posiadanie wielu procesów w jednym procesie. Najbardziej oczywistym przykładem byłby przypadek, w którym zmienia się objętość i ciśnienie, co skutkuje brakiem zmiany temperatury lub wymiany ciepła – taki proces byłby zarówno adiabatyczny, jak i izotermiczny.
Pierwsza zasada termodynamiki
W kategoriach matematycznych pierwsza zasada termodynamiki można zapisać jako:
delta- W = Q - W lub Q = delta- W + W
gdzie
- delta- W = zmiana energii wewnętrznej układu
- Q = ciepło przekazywane do lub z systemu.
- W = praca wykonana przez system lub w systemie.
Analizując jeden ze szczególnych procesów termodynamicznych opisanych powyżej, często (choć nie zawsze) znajdujemy bardzo szczęśliwy wynik - jedną z tych wielkości zmniejsza się do zera !
Na przykład w procesie adiabatycznym nie ma wymiany ciepła, więc Q = 0, co daje bardzo bezpośrednią zależność między energią wewnętrzną a pracą: delta- Q = - W . Zobacz poszczególne definicje tych procesów, aby uzyskać bardziej szczegółowe informacje na temat ich unikalnych właściwości.
Procesy odwracalne
Większość procesów termodynamicznych przebiega naturalnie z jednego kierunku w drugi. Innymi słowy, mają preferowany kierunek.
Ciepło przepływa z cieplejszego obiektu do zimniejszego. Gazy rozszerzają się, wypełniając pomieszczenie, ale nie kurczą się spontanicznie, aby wypełnić mniejszą przestrzeń. Energia mechaniczna może być całkowicie przekształcona w ciepło, ale całkowite przekształcenie ciepła w energię mechaniczną jest praktycznie niemożliwe.
Jednak niektóre systemy przechodzą proces odwracalny. Zwykle dzieje się tak, gdy system jest zawsze blisko równowagi termicznej, zarówno wewnątrz samego systemu, jak i w dowolnym otoczeniu. W takim przypadku nieskończenie małe zmiany warunków systemu mogą spowodować, że proces pójdzie w drugą stronę. W związku z tym proces odwracalny jest również znany jako an proces równowagi .
Przykład 1: Dwa metale (A i B) są w kontakcie termicznym i Równowaga termiczna . Metal A jest podgrzewany w nieskończenie małej ilości, aby ciepło przepływało z niego do metalu B. Proces ten można odwrócić przez ochłodzenie A w nieskończenie małej ilości, w którym to momencie ciepło zacznie płynąć z B do A, aż ponownie znajdą się w równowadze termicznej .
Przykład 2: Gaz rozpręża się powoli i adiabatycznie w procesie odwracalnym. Zwiększając ciśnienie o nieskończenie małą wartość, ten sam gaz może sprężyć się powoli i adiabatycznie z powrotem do stanu początkowego.
Należy zauważyć, że są to nieco wyidealizowane przykłady. Ze względów praktycznych układ, który jest w równowadze termicznej, przestaje być w równowadze termicznej po wprowadzeniu jednej z tych zmian… zatem proces nie jest w rzeczywistości całkowicie odwracalny. To jest wyidealizowany model jak taka sytuacja miałaby miejsce, chociaż przy uważnej kontroli warunków eksperymentalnych można przeprowadzić proces, który jest niezwykle bliski bycia w pełni odwracalnym.
Procesy nieodwracalne i druga zasada termodynamiki
Większość procesów to oczywiście: procesy nieodwracalne (lub procesy nierównowagi ). Używanie tarcia hamulców do pracy w samochodzie jest procesem nieodwracalnym. Wpuszczanie powietrza z balonu do pomieszczenia jest procesem nieodwracalnym. Umieszczenie bryły lodu na gorącym chodniku cementowym jest procesem nieodwracalnym.
Ogólnie rzecz biorąc, te nieodwracalne procesy są konsekwencją drugiej zasady termodynamiki, która jest często definiowana w kategoriach entropia lub nieporządek systemu.
Istnieje kilka sposobów na sformułowanie drugiej zasady termodynamiki, ale zasadniczo nakłada ona ograniczenia na efektywność transferu ciepła. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, część ciepła zawsze będzie w tym procesie tracona, dlatego w świecie rzeczywistym nie jest możliwy całkowicie odwracalny proces.
Silniki cieplne, pompy ciepła i inne urządzenia
Każde urządzenie, które częściowo zamienia ciepło w pracę lub energię mechaniczną, nazywamy a silnik cieplny . Silnik cieplny robi to, przenosząc ciepło z jednego miejsca do drugiego, wykonując po drodze pewną pracę.
Za pomocą termodynamiki można analizować wydajność termiczna silnika cieplnego i jest to temat poruszany na większości kursów wprowadzających z fizyki. Oto kilka silników cieplnych, które są często analizowane na kursach fizyki:
Cykl Carnota
W 1924 roku francuski inżynier Sadi Carnot stworzył wyidealizowany, hipotetyczny silnik, który miał maksymalną możliwą wydajność zgodną z drugą zasadą termodynamiki. Doszedł do następującego równania jego skuteczności: oraz Carnot:
oraz Carnot= ( T H- T C) / T H
T Horaz T Cto temperatury odpowiednio gorącego i zimnego zbiornika. Przy bardzo dużej różnicy temperatur uzyskujesz wysoką wydajność. Niska wydajność pojawia się, gdy różnica temperatur jest niewielka. Otrzymujesz skuteczność tylko 1 (skuteczność 100%), jeśli T C= 0 (tj. całkowita wartość ), co jest niemożliwe.