Čo je termodynamický proces?

A aké sú hlavné typy?

Automobilový motor je typ tepelného motora. Artur Azizkhanian/EyeEm/Getty Images

Systém prechádza termodynamickým procesom, keď v systéme dôjde k nejakej energetickej zmene, ktorá je vo všeobecnosti spojená so zmenami tlaku, objemu, vnútornej energie , teplota alebo čokoľvek iné prenos tepla .

Hlavné typy termodynamických procesov

Existuje niekoľko špecifických typov termodynamických procesov, ktoré sa vyskytujú dostatočne často (a v praktických situáciách), že sa s nimi bežne zaobchádza pri štúdiu termodynamiky. Každý má jedinečnú vlastnosť, ktorá ho identifikuje a ktorá je užitočná pri analýze energetických a pracovných zmien súvisiacich s procesom.

• Adiabatický proces - proces bez prenosu tepla do alebo zo systému.
• Izochorický proces - proces bez zmeny objemu, v takom prípade systém nefunguje.
• Izobarický proces - proces bez zmeny tlaku.
• Izotermický proces - proces bez zmeny teploty.

V rámci jedného procesu je možné mať viacero procesov. Najzrejmejším príkladom by bol prípad, keď sa objem a tlak menia, čo nevedie k žiadnej zmene teploty alebo prenosu tepla - takýto proces by bol adiabatický aj izotermický.

Prvý zákon termodynamiky

Z matematického hľadiska, prvý zákon termodynamiky možno napísať ako:

delta- IN = Q - In alebo Q = delta- IN + In
kde

• delta- IN = zmena vnútornej energie systému
• Q = teplo prenášané do systému alebo zo systému.
• In = práca vykonaná systémom alebo na ňom.

Pri analýze jedného zo špeciálnych termodynamických procesov opísaných vyššie často (aj keď nie vždy) nájdeme veľmi šťastný výsledok - jednu z týchto veličín zníži na nulu !

Napríklad pri adiabatickom procese nedochádza k prenosu tepla, tzv Q = 0, čo vedie k veľmi priamemu vzťahu medzi vnútornou energiou a prácou: delta- Q = - In . Konkrétnejšie podrobnosti o ich jedinečných vlastnostiach nájdete v jednotlivých definíciách týchto procesov.

Reverzibilné procesy

Väčšina termodynamických procesov prebieha prirodzene z jedného smeru do druhého. Inými slovami, majú preferovaný smer.

Teplo prúdi z teplejšieho objektu do chladnejšieho. Plyny expandujú, aby zaplnili miestnosť, ale nebudú sa spontánne sťahovať, aby vyplnili menší priestor. Mechanická energia môže byť úplne premenená na teplo, ale je prakticky nemožné úplne premeniť teplo na mechanickú energiu.

Niektoré systémy však prechádzajú reverzibilným procesom. Vo všeobecnosti sa to stane, keď je systém vždy blízko tepelnej rovnováhy, a to ako vo vnútri samotného systému, tak aj v akomkoľvek okolí. V tomto prípade môžu nekonečne malé zmeny podmienok systému spôsobiť, že proces pôjde opačným smerom. Ako taký je reverzibilný proces známy aj ako an rovnovážny proces .

Príklad 1: Dva kovy (A a B) sú v tepelnom kontakte a tepelná rovnováha . Kov A sa zahrieva nekonečne malé množstvo, takže teplo z neho prúdi ku kovu B. Tento proces možno zvrátiť ochladením nekonečne malého množstva A, v tomto bode začne teplo prúdiť z B do A, až kým nie sú opäť v tepelnej rovnováhe. .

Príklad 2: Plyn expanduje pomaly a adiabaticky v reverzibilnom procese. Zvýšením tlaku o nekonečne malé množstvo sa ten istý plyn môže pomaly a adiabaticky stláčať späť do pôvodného stavu.

Treba poznamenať, že ide o trochu idealizované príklady. Z praktických dôvodov systém, ktorý je v tepelnej rovnováhe, prestane byť v tepelnej rovnováhe, akonáhle sa zavedie jedna z týchto zmien... takže proces v skutočnosti nie je úplne reverzibilný. Je to idealizovaný model o tom, ako by takáto situácia prebiehala, hoci pri starostlivej kontrole experimentálnych podmienok možno uskutočniť proces, ktorý je extrémne blízko k úplnej reverzibilite.

Nezvratné procesy a druhý zákon termodynamiky

Väčšina procesov, samozrejme, je nezvratné procesy (alebo nerovnovážne procesy ). Používanie trenia bŕzd na vašom aute je nezvratný proces. Vypustenie vzduchu z balóna do miestnosti je nezvratný proces. Umiestnenie bloku ľadu na horúci cementový chodník je nezvratný proces.

Celkovo sú tieto ireverzibilné procesy dôsledkom druhého termodynamického zákona, ktorý sa často definuje ako entropia alebo porucha systému.

Existuje niekoľko spôsobov, ako formulovať druhý termodynamický zákon, ale v podstate to obmedzuje, aký efektívny môže byť prenos tepla. Podľa druhého termodynamického zákona sa v procese vždy stratí určité množstvo tepla, a preto nie je možné v reálnom svete dosiahnuť úplne reverzibilný proces.

Tepelné motory, tepelné čerpadlá a iné zariadenia

Každé zariadenie, ktoré premieňa teplo čiastočne na prácu alebo mechanickú energiu, nazývame a tepelný motor . Tepelný motor to robí prenosom tepla z jedného miesta na druhé, pričom počas cesty vykonáva určitú prácu.

Pomocou termodynamiky je možné analyzovať tepelná účinnosť tepelného motora, a to je téma, ktorej sa venuje väčšina úvodných kurzov fyziky. Tu sú niektoré tepelné motory, ktoré sa často analyzujú na kurzoch fyziky:

Spaľovací motor- Motor poháňaný palivom, aké sa používajú v automobiloch. „Otto cyklus“ definuje termodynamický proces bežného benzínového motora. „Dieselový cyklus“ sa vzťahuje na dieselové motory.Chladnička- Tepelný motor v spätnom chode, chladnička odoberá teplo z chladného miesta (vnútri chladničky) a prenáša ho na teplé miesto (mimo chladničky).Tepelné čerpadlo- Tepelné čerpadlo je typ tepelného motora, podobne ako chladnička, ktorý sa používa na vykurovanie budov ochladzovaním vonkajšieho vzduchu.

Carnotov cyklus

V roku 1924 francúzsky inžinier Sadi Carnot vytvoril idealizovaný, hypotetický motor, ktorý mal maximálnu možnú účinnosť v súlade s druhým zákonom termodynamiky. Pre svoju efektivitu dospel k nasledujúcej rovnici: a _Carnot:

a _Carnot= ( T _H- T _C)/ T _H

T _Ha T _Csú teploty teplej a studenej nádrže. S veľmi veľkým teplotným rozdielom získate vysokú účinnosť. Nízka účinnosť nastáva, ak je teplotný rozdiel nízky. Účinnosť 1 (účinnosť 100 %) získate iba vtedy, ak T _C= 0 (t.j. absolútna hodnota ), čo je nemožné.