Czym jest proces izotermiczny w fizyce?

Wykres procesu izotermicznego, który utrzymuje stałą temperaturę, podczas gdy ciśnienie zmienia się w czasie.

Yuta Aoki/Wikimedia Commons/ CC BY-SA 3.0

Nauka o fizyce bada obiekty i systemy w celu pomiaru ich ruchu, temperatury i innych cech fizycznych. Można go zastosować do wszystkiego, od organizmów jednokomórkowych po układy mechaniczne, planety, gwiazdy i galaktyki oraz procesy, które nimi rządzą. W fizycetermodynamika to dziedzina, która koncentruje się na zmianachenergii (ciepła) we właściwościach układu podczas dowolnej reakcji fizycznej lub chemicznej.

„Proces izotermiczny”, czyli proces termodynamiczny, w którym temperatura układu pozostaje stała. The przekazywanie ciepła do lub z systemu dzieje się tak wolno, że Równowaga termiczna jest obsługiwany. „Termiczny” to termin opisujący ciepło systemu. „Iso” oznacza „równe”, więc „izotermiczny” oznacza „równe ciepło”, co definiuje równowagę termiczną.

Proces izotermiczny

Ogólnie rzecz biorąc, podczas procesu izotermicznego następuje zmiana wewnętrznego energia , energia cieplna , oraz praca , mimo że temperatura pozostaje taka sama. Coś w systemie działa, aby utrzymać tę samą temperaturę. Jednym prostym idealnym przykładem jest cykl Carnota, który zasadniczo opisuje, jak działa silnik cieplny, dostarczając ciepło do gazu. W rezultacie gaz rozpręża się w cylindrze, co popycha tłok do wykonania pewnej pracy. Ciepło lub gaz należy następnie wypchnąć z butli (lub zrzucić), aby mógł nastąpić kolejny cykl ogrzewania/rozprężania. Tak dzieje się na przykład w silniku samochodowym. Jeśli ten cykl jest całkowicie wydajny, proces jest izotermiczny, ponieważ temperatura jest utrzymywana na stałym poziomie podczas zmian ciśnienia.

Aby zrozumieć podstawy procesu izotermicznego, rozważ działanie gazów w systemie. Energia wewnętrzna an gaz doskonały zależy wyłącznie od temperatury, więc zmiana energii wewnętrznej podczas procesu izotermicznego dla gaz doskonały wynosi również 0. W takim układzie całe ciepło dodawane do układu (gazu) wykonuje pracę w celu utrzymania procesu izotermicznego, o ile ciśnienie pozostaje stałe. Zasadniczo, przy rozważaniu idealnego gazu, praca wykonana w systemie w celu utrzymania temperatury oznacza, że ​​objętość gazu musi się zmniejszać wraz ze wzrostem ciśnienia w systemie.

Procesy izotermiczne i stany materii

Procesy izotermiczne są liczne i zróżnicowane. Jednym z nich jest parowanie wody do powietrza, podobnie jak wrzenie wody w określonym punkcie wrzenia. Istnieje również wiele reakcji chemicznych, które utrzymują równowagę termiczną, a w biologii interakcje komórki z otaczającymi ją komórkami (lub inną materią) są uważane za proces izotermiczny.

Parowanie, topienie i gotowanie to także „zmiany fazowe”. Oznacza to, że są to zmiany w wodę (lub inne płyny lub gazy), które zachodzą w stałej temperaturze i ciśnieniu.

Wykresy procesu izotermicznego

W fizyce sporządzanie wykresów takich reakcji i procesów odbywa się za pomocą diagramów (wykresów). W diagram fazowy , proces izotermiczny jest przedstawiony na wykresie, podążając za pionową linią (lub płaszczyzną, w 3D diagram fazowy ) wzdłuż stałej temperatury. Ciśnienie i objętość mogą się zmieniać w celu utrzymania temperatury systemu.

Gdy się zmieniają, możliwe jest, że substancja zmieni swoją stan rzeczy nawet wtedy, gdy jego temperatura pozostaje stała. Tak więc parowanie wody podczas wrzenia oznacza, że ​​temperatura pozostaje taka sama, gdy system zmienia ciśnienie i objętość. Jest to następnie przedstawiane na wykresie z utrzymaniem stałej temperatury na wykresie.

Co to wszystko znaczy

Kiedy naukowcy badają procesy izotermiczne w systemach, tak naprawdę badają ciepło i energię oraz związek między nimi a energią mechaniczną potrzebną do zmiany lub utrzymania temperatury systemu. Takie zrozumienie pomaga biologom badać, w jaki sposób żywe istoty regulują swoją temperaturę. Ma również zastosowanie w inżynierii, kosmosie, planetologii, geologii i wielu innych gałęziach nauki. Termodynamiczne obiegi mocy (a tym samym procesy izotermiczne) są podstawową ideą silników cieplnych. Ludzie wykorzystują te urządzenia do zasilania elektrowni oraz, jak wspomniano powyżej, samochodów, ciężarówek, samolotów i innych pojazdów. Ponadto takie systemy istnieją w rakietach i statkach kosmicznych. Inżynierowie stosują zasady zarządzania ciepłem (innymi słowy zarządzania temperaturą) w celu zwiększenia wydajności tych systemów i procesów.

Edytowane i aktualizowane przezCarolyn Collins Petersen.