Hva er en isotermisk prosess i fysikk?

Graf over en isoterm prosess som opprettholder en konstant temperatur mens trykket endres over tid.

Yuta Aoki/Wikimedia Commons/ CC BY-SA 3.0

Vitenskapen i fysikk studerer objekter og systemer for å måle deres bevegelser, temperaturer og andre fysiske egenskaper. Den kan brukes på alt fra encellede organismer til mekaniske systemer til planeter, stjerner og galakser og prosessene som styrer dem. Innen fysikk,termodynamikk er en gren som konsentrerer seg om endringerav energi (varme) i egenskapene til et system under enhver fysisk eller kjemisk reaksjon.

Den 'isotermiske prosessen', som er en termodynamisk prosess der temperaturen i et system forblir konstant. De overføring av varme inn eller ut av systemet skjer så sakte at termisk likevekt opprettholdes. 'Termisk' er et begrep som beskriver varmen i et system. 'Iso' betyr 'lik', så 'isotermisk' betyr 'lik varme', som er det som definerer termisk likevekt.

Den isotermiske prosessen

Generelt, under en isoterm prosess er det en endring i indre energi , varme energi , og arbeid , selv om temperaturen forblir den samme. Noe i systemet jobber for å opprettholde den samme temperaturen. Et enkelt ideelt eksempel er Carnot-syklusen, som i utgangspunktet beskriver hvordan en varmemotor fungerer ved å levere varme til en gass. Som et resultat utvider gassen seg i en sylinder, og det skyver et stempel for å gjøre noe arbeid. Varmen eller gassen må deretter skyves ut av sylinderen (eller dumpes) slik at neste varme-/ekspansjonssyklus kan finne sted. Dette er for eksempel det som skjer inne i en bilmotor. Hvis denne syklusen er helt effektiv, er prosessen isotermisk fordi temperaturen holdes konstant mens trykket endres.

For å forstå det grunnleggende om den isotermiske prosessen, vurder virkningen av gasser i et system. Den indre energien til en ideell gass avhenger utelukkende av temperaturen, så endringen i indre energi under en isoterm prosess for en ideell gass er også 0. I et slikt system utfører all varme som tilføres et system (av gass) arbeid for å opprettholde den isotermiske prosessen, så lenge trykket forblir konstant. I hovedsak, når man vurderer en ideell gass, betyr arbeid utført på systemet for å opprettholde temperaturen at volumet av gassen må reduseres når trykket på systemet øker.

Isotermiske prosesser og materietilstander

Isotermiske prosesser er mange og varierte. Fordampning av vann til luften er en, det samme er koking av vann ved et bestemt kokepunkt. Det er også mange kjemiske reaksjoner som opprettholder termisk likevekt, og i biologi sies at interaksjonene til en celle med de omkringliggende cellene (eller andre stoffer) er en isoterm prosess.

Fordampning, smelting og koking er også 'faseendringer'. Det vil si at de er endringer i vann (eller andre væsker eller gasser) som finner sted ved konstant temperatur og trykk.

Kartlegging av en isoterm prosess

I fysikk gjøres kartlegging av slike reaksjoner og prosesser ved hjelp av diagrammer (grafer). I en fasediagram , er en isoterm prosess kartlagt ved å følge en vertikal linje (eller plan, i en 3D fasediagram ) langs en konstant temperatur. Trykket og volumet kan endres for å opprettholde temperaturen i systemet.

Når de endrer seg, er det mulig for et stoff å endre det når det gjelder selv mens temperaturen forblir konstant. Dermed betyr fordampning av vann mens det koker at temperaturen holder seg den samme ettersom systemet endrer trykk og volum. Dette er deretter kartlagt med tempereringen forblir konstant langs diagrammet.

Hva det hele betyr

Når forskere studerer isotermiske prosesser i systemer, undersøker de virkelig varme og energi og sammenhengen mellom dem og den mekaniske energien det tar å endre eller opprettholde temperaturen i et system. Slik forståelse hjelper biologer med å studere hvordan levende vesener regulerer temperaturene sine. Det kommer også inn i ingeniørfag, romvitenskap, planetarisk vitenskap, geologi og mange andre vitenskapsgrener. Termodynamiske kraftsykluser (og dermed isotermiske prosesser) er grunntanken bak varmemotorer. Mennesker bruker disse enhetene til å drive elektriske anlegg og, som nevnt ovenfor, biler, lastebiler, fly og andre kjøretøy. I tillegg finnes slike systemer på raketter og romfartøy. Ingeniører anvender prinsipper for termisk styring (med andre ord temperaturstyring) for å øke effektiviteten til disse systemene og prosessene.

Redigert og oppdatert avCarolyn Collins Petersen.