Hva er en termodynamisk prosess?
Og hva er hovedtypene?
En bilmotor er en type varmemotor. Artur Azizkhanian/EyeEm/Getty Images
Et system gjennomgår en termodynamisk prosess når det er en slags energetisk endring i systemet, vanligvis assosiert med endringer i trykk, volum, indre energi , temperatur eller noen form for varmeoverføring .
Hovedtyper av termodynamiske prosesser
Det er flere spesifikke typer termodynamiske prosesser som skjer ofte nok (og i praktiske situasjoner) til at de ofte blir behandlet i studiet av termodynamikk. Hver har en unik egenskap som identifiserer den, og som er nyttig for å analysere energi- og arbeidsendringene knyttet til prosessen.
- Adiabatisk prosess - en prosess uten varmeoverføring inn eller ut av systemet.
- Isokorisk prosess - en prosess uten endring i volum, i så fall fungerer ikke systemet.
- Isobarisk prosess - en prosess uten endring i trykk.
- Isotermisk prosess - en prosess uten temperaturendring.
Det er mulig å ha flere prosesser innenfor en enkelt prosess. Det mest åpenbare eksemplet vil være et tilfelle hvor volum og trykk endres, noe som resulterer i ingen endring i temperatur eller varmeoverføring - en slik prosess vil være både adiabatisk og isotermisk.
Den første loven om termodynamikk
I matematiske termer er termodynamikkens første lov kan skrives som:
delta- I = Q - I eller Q = delta- I + I
hvor
- delta- I = systemets endring i indre energi
- Q = varme overført inn i eller ut av systemet.
- I = arbeid utført av eller på systemet.
Når vi analyserer en av de spesielle termodynamiske prosessene beskrevet ovenfor, finner vi ofte (men ikke alltid) et veldig heldig resultat - en av disse størrelsene reduseres til null !
For eksempel, i en adiabatisk prosess er det ingen varmeoverføring, så Q = 0, noe som resulterer i et veldig enkelt forhold mellom den indre energien og arbeidet: delta- Q = - I . Se de individuelle definisjonene av disse prosessene for mer spesifikke detaljer om deres unike egenskaper.
Reversible prosesser
De fleste termodynamiske prosesser går naturlig fra én retning til en annen. De har med andre ord en foretrukket retning.
Varme strømmer fra et varmere objekt til et kaldere. Gasser utvider seg for å fylle et rom, men vil ikke spontant trekke seg sammen for å fylle et mindre rom. Mekanisk energi kan konverteres fullstendig til varme, men det er praktisk talt umulig å konvertere varme fullstendig til mekanisk energi.
Noen systemer går imidlertid gjennom en reversibel prosess. Generelt skjer dette når systemet alltid er nær termisk likevekt, både inne i selve systemet og med eventuelle omgivelser. I dette tilfellet kan uendelige endringer i forholdene til systemet føre til at prosessen går den andre veien. Som sådan er en reversibel prosess også kjent som en likevektsprosess .
Eksempel 1: To metaller (A & B) er i termisk kontakt og termisk likevekt . Metall A varmes opp en uendelig liten mengde, slik at varme strømmer fra det til metall B. Denne prosessen kan reverseres ved å avkjøle A en uendelig liten mengde, da vil varme begynne å strømme fra B til A til de igjen er i termisk likevekt .
Eksempel 2: En gass utvides sakte og adiabatisk i en reversibel prosess. Ved å øke trykket med en uendelig liten mengde kan den samme gassen komprimeres sakte og adiabatisk tilbake til utgangstilstanden.
Det skal bemerkes at dette er noe idealiserte eksempler. For praktiske formål slutter et system som er i termisk likevekt å være i termisk likevekt når en av disse endringene er introdusert ... dermed er prosessen faktisk ikke fullstendig reversibel. Det er en idealisert modell av hvordan en slik situasjon vil finne sted, men med nøye kontroll av eksperimentelle forhold kan en prosess utføres som er ekstremt nær ved å være fullt reversibel.
Irreversible prosesser og termodynamikkens andre lov
De fleste prosesser er det selvfølgelig irreversible prosesser (eller ikke-likevektsprosesser ). Å bruke friksjonen til bremsene dine fungerer på bilen din er en irreversibel prosess. Å slippe luft fra en ballong ut i rommet er en irreversibel prosess. Å plassere en isblokk på en varm gangvei av sement er en irreversibel prosess.
Totalt sett er disse irreversible prosessene en konsekvens av termodynamikkens andre lov, som ofte defineres i form av entropi , eller forstyrrelse, i et system.
Det er flere måter å formulere termodynamikkens andre lov på, men i utgangspunktet setter den en begrensning på hvor effektiv en eventuell varmeoverføring kan være. I følge termodynamikkens andre lov vil det alltid gå noe varme tapt i prosessen, og det er derfor det ikke er mulig å ha en fullstendig reversibel prosess i den virkelige verden.
Varmemotorer, varmepumper og andre enheter
Vi kaller enhver enhet som omdanner varme delvis til arbeid eller mekanisk energi a varmemotor . En varmemotor gjør dette ved å overføre varme fra et sted til et annet, og få gjort litt arbeid underveis.
Ved hjelp av termodynamikk er det mulig å analysere termisk effektivitet av en varmemotor, og det er et tema som dekkes i de fleste innledende fysikkkurs. Her er noen varmemotorer som ofte analyseres i fysikkkurs:
Carnot-syklusen
I 1924 skapte den franske ingeniøren Sadi Carnot en idealisert, hypotetisk motor som hadde størst mulig effektivitet i samsvar med termodynamikkens andre lov. Han kom frem til følgende ligning for effektiviteten hans, og Carnot:
og Carnot= ( T H- T C) / T H
T Hog T Cer temperaturene til henholdsvis varme og kalde reservoarer. Med svært stor temperaturforskjell får du en høy virkningsgrad. En lav virkningsgrad kommer hvis temperaturforskjellen er lav. Du får kun en effektivitet på 1 (100 % effektivitet) hvis T C= 0 (dvs. absolutt verdi ) som er umulig.