Co to jest proces termodynamiczny? FAQ fizyki

Układ podlega procesowi termodynamicznemu, gdy zachodzi w nim jakaś zmiana energetyczna, zwykle związana ze zmianami ciśnienia, objętości, energia wewnętrzna, temperatura lub jakikolwiek inny przenikanie ciepła.

Istnieje kilka specyficznych rodzajów procesów termodynamicznych, które występują wystarczająco często (i w sytuacjach praktycznych), że są one powszechnie traktowane w badaniach termodynamiki. Każda z nich ma unikalną cechę, która ją identyfikuje i która jest przydatna w analizie zmian energii i pracy związanych z procesem.

• Proces adiabatyczny - proces bez wymiany ciepła do lub z systemu.
• Proces izochoryczny - proces bez zmiany głośności, w którym to przypadku system nie działa.
• Proces izobaryczny - proces bez zmian ciśnienia.
• Proces izotermiczny - proces bez zmian temperatury.

Możliwe jest posiadanie wielu procesów w ramach jednego procesu. Najbardziej oczywistym przykładem byłby przypadek zmiany objętości i ciśnienia, powodujący brak zmiany temperatury lub wymiany ciepła - taki proces byłby zarówno adiabatyczny, jak i izotermiczny.

Pod względem matematycznym pierwsza zasada termodynamiki można zapisać jako:

delta- U = Q - W. lub Q = delta U + W.
gdzie

• delta-U = zmiana energii wewnętrznej układu
• Q = ciepło przekazywane do lub z systemu.
• W. = praca wykonana przez lub w systemie.

Analizując jeden ze specjalnych 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 prosty związek między energią wewnętrzną a pracą: deltaQ = -W.. Zobacz poszczególne definicje tych procesów, aby uzyskać bardziej szczegółowe informacje na temat ich unikalnych właściwości.

Większość procesów termodynamicznych przebiega naturalnie z jednego kierunku na drugi. Innymi słowy, mają preferowany kierunek.

Ciepło przepływa z cieplejszego obiektu do zimniejszego. Gazy rozszerzają się, wypełniając pomieszczenie, ale nie będą spontanicznie kurczyć się, aby wypełnić mniejszą przestrzeń. Energię mechaniczną można całkowicie przekształcić w ciepło, ale praktycznie nie można całkowicie przekształcić ciepła w energię mechaniczną.

Jednak niektóre systemy przechodzą proces odwracalny. Zasadniczo dzieje się tak, gdy system jest zawsze zbliżony do równowagi termicznej, zarówno w samym systemie, jak i w dowolnym otoczeniu. W takim przypadku nieskończenie małe zmiany warunków systemu mogą spowodować, że proces pójdzie w drugą stronę. Jako taki proces odwracalny jest również znany jako proces równowagi.

Przykład 1: Dwa metale (A i B) są w kontakcie termicznym i Równowaga termiczna. Metal A jest podgrzewany w nieskończoność, dzięki czemu ciepło przepływa z niego do metalu B. Proces ten można odwrócić poprzez schłodzenie nieskończenie małej ilości A, w którym to punkcie ciepło zacznie przepływać z B do A, aż znów znajdzie 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 powoli i adiabatycznie sprężać z powrotem do stanu początkowego.

Należy zauważyć, że są to nieco wyidealizowane przykłady. Dla celów praktycznych układ znajdujący się w równowadze termicznej przestaje być w równowadze termicznej po wprowadzeniu jednej z tych zmian... dlatego proces nie jest w rzeczywistości całkowicie odwracalny. To jest wyidealizowany model o tym, jak taka sytuacja miałaby miejsce, chociaż przy dokładnej kontroli warunków eksperymentalnych można przeprowadzić proces, który jest bardzo bliski pełnej odwracalności.

Oczywiście większość procesów nieodwracalne procesy (lub procesy braku równowagi). Używanie tarcia hamulców, aby praca w samochodzie była nieodwracalnym procesem. Dopuszczenie powietrza z balonu do pomieszczenia jest nieodwracalnym procesem. Umieszczenie bloku lodu na chodniku z gorącym cementem jest procesem nieodwracalnym.

Ogólnie rzecz biorąc, te nieodwracalne procesy są konsekwencją drugiego prawa termodynamiki, które jest często definiowane w kategoriach entropialub zaburzenie systemu.

Istnieje kilka sposobów sformułowania drugiej zasady termodynamiki, ale w zasadzie ogranicza ona efektywność przenoszenia ciepła. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, część ciepła zawsze będzie tracona w procesie, dlatego w realnym świecie nie jest możliwy całkowicie odwracalny proces.

Nazywamy każde urządzenie, które częściowo przekształca ciepło w energię roboczą lub mechaniczną silnik cieplny. Silnik cieplny robi to, przenosząc ciepło z jednego miejsca do drugiego i wykonując po drodze trochę pracy.

Za pomocą termodynamiki można analizować wydajność termiczna silnika cieplnego i jest to temat omawiany na większości wstępnych kursów fizyki. Oto niektóre silniki cieplne, które są często analizowane na kursach fizyki:

• Silnik spalinowy - Silnik napędzany paliwem, taki jak stosowany w samochodach. „Cykl Otto” określa proces termodynamiczny zwykłego silnika benzynowego. „Cykl Diesla” odnosi się do silników Diesla.
• Lodówka - Silnik cieplny na biegu wstecznym, lodówka pobiera ciepło z zimnego miejsca (wewnątrz lodówki) i przenosi je do ciepłego miejsca (na zewnątrz lodówki).
• Pompa ciepła - Pompa ciepła to rodzaj silnika cieplnego, podobnego do lodówki, który służy do ogrzewania budynków poprzez chłodzenie powietrza zewnętrznego.

W 1924 roku francuski inżynier Sadi Carnot stworzył wyidealizowany, hipotetyczny silnik, który miał maksymalną możliwą wydajność zgodną z drugą zasadą termodynamiki. Do swojej wydajności doszedł do następującego równania: mi_Carnot:

mi_Carnot = ( T._H. - T._do) / T._H.

T._H. i T._do są temperaturami odpowiednio gorących i zimnych zbiorników. Dzięki bardzo dużej różnicy temperatur uzyskujesz wysoką wydajność. Niska wydajność występuje, gdy różnica temperatur jest niska. Wydajność wynosi tylko 1 (wydajność 100%), jeśli T._do = 0 (tj. całkowita wartość), co jest niemożliwe.