Co to jest proces izotermiczny w fizyce?

Fizyka bada obiekty i układy w celu pomiaru ich ruchów, temperatur i innych cech fizycznych. Można go stosować do wszystkiego, od organizmów jednokomórkowych po systemy mechaniczne, planety, gwiazdy i galaktyki oraz procesy nimi rządzące. W fizyce termodynamika to gałąź, która koncentruje się na zmianach energii (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 powoli, że Równowaga termiczna jest obsługiwany. „Termiczny” to termin opisujący ciepło systemu. „Iso” oznacza „równy”, więc „izotermiczny” oznacza „równe ciepło”, co definiuje równowagę termiczną.

Zasadniczo podczas procesu izotermicznego dochodzi do zmiany wewnętrznej energia, energia cieplna, i praca, mimo że temperatura pozostaje taka sama. Coś w systemie działa w celu utrzymania tej samej temperatury. Jednym prostym idealnym przykładem jest cykl Carnota, który zasadniczo opisuje działanie silnika cieplnego poprzez dostarczanie ciepła do gazu. W rezultacie gaz rozszerza się w cylindrze, co popycha tłok do wykonania pewnej pracy. Następnie ciepło lub gaz należy wypchnąć z cylindra (lub zrzucić), aby mógł nastąpić następny cykl podgrzewania / 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 układzie. Energia wewnętrzna gaz doskonały zależy wyłącznie od temperatury, więc zmiana energii wewnętrznej podczas procesu izotermicznego dla gaz doskonały jest również 0. W takim systemie całe ciepło dodane do systemu (gazu) wykonuje prace w celu utrzymania procesu izotermicznego, dopóki ciśnienie pozostaje stałe. Zasadniczo, biorąc pod uwagę gaz idealny, prace wykonane w systemie w celu utrzymania temperatury oznaczają, że objętość gazu musi maleć wraz ze wzrostem ciśnienia w systemie.

Procesy izotermiczne są liczne i różnorodne. Parowanie wody do powietrza jest jednym z nich, podobnie jak gotowanie wody w określonym punkcie wrzenia. Istnieje również wiele reakcji chemicznych, które utrzymują równowagę termiczną, a w biologii mówi się, że interakcje komórki z otaczającymi ją komórkami (lub inną materią) są procesem izotermicznym.

Odparowanie, stopienie i wrzenie to także „zmiany fazowe”. Oznacza to, że są to zmiany w wodzie (lub innych płynach lub gazach), które zachodzą w stałej temperaturze i ciśnieniu.

W fizyce tworzenie wykresów takich reakcji i procesów odbywa się za pomocą diagramów (wykresów). W diagram fazowy, proces izotermiczny jest wykreślany na podstawie linii pionowej (lub płaszczyzny w 3D) diagram fazowy) wzdłuż stałej temperatury. Ciśnienie i objętość mogą się zmieniać w celu utrzymania temperatury systemu.

Gdy się zmieniają, substancja może zmienić swoją stan materii nawet gdy jego temperatura pozostaje stała. Zatem odparowanie wody podczas gotowania oznacza, że ​​temperatura pozostaje taka sama, ponieważ system zmienia ciśnienie i objętość. Jest to następnie przedstawiane na wykresie przy stałym temperowaniu na wykresie.

Kiedy naukowcy badają procesy izotermiczne w układach, naprawdę badają ciepło i energię oraz połączenie między nimi a energią mechaniczną potrzebną do zmiany lub utrzymania temperatury system. Takie zrozumienie pomaga biologom badać, w jaki sposób żywe istoty regulują swoje temperatury. Ma również zastosowanie w inżynierii, naukach kosmicznych, planetarnych, geologii i wielu innych dziedzinach nauki. Termodynamiczne cykle mocy (a zatem procesy izotermiczne) są podstawową ideą silników cieplnych. Ludzie używają tych urządzeń do zasilania elektrowni i, jak wspomniano powyżej, samochodów, ciężarówek, samolotów i innych pojazdów. Ponadto takie systemy istnieją w rakietach i statkach kosmicznych. Inżynierowie stosują zasady zarządzania temperaturą (innymi słowy zarządzanie temperaturą), aby zwiększyć wydajność tych systemów i procesów.

Edytowane i zaktualizowane przez Carolyn Collins Petersen.