Das isothermer Prozess oder isotherm ist ein reversibler thermodynamischer Prozess, bei dem die Temperatur konstant bleibt. In einem Gas gibt es Situationen, in denen eine Änderung des Systems keine Temperaturschwankungen, sondern physikalische Eigenschaften hervorruft..
Diese Änderungen sind die Phasenänderungen, wenn sich die Substanz von fest zu flüssig, von flüssig zu gasförmig oder umgekehrt ändert. In solchen Fällen passen die Moleküle der Substanz ihre Position neu an und fügen Wärmeenergie hinzu oder extrahieren sie..
Die Wärmeenergie, die für einen Phasenwechsel in einer Substanz erforderlich ist, wird als latente Wärme oder Umwandlungswärme bezeichnet.
Eine Möglichkeit, einen Prozess isotherm zu machen, besteht darin, die Substanz, die das zu untersuchende System sein soll, mit einem externen Wärmespeicher in Kontakt zu bringen, bei dem es sich um ein anderes System mit hoher Kalorienkapazität handelt. Auf diese Weise tritt ein derart langsamer Wärmeaustausch auf, dass die Temperatur konstant bleibt..
Diese Art von Prozess tritt in der Natur häufig auf. Zum Beispiel fühlen wir uns beim Menschen krank, wenn die Körpertemperatur steigt oder fällt, weil in unserem Körper viele chemische Reaktionen, die das Leben erhalten, bei konstanter Temperatur stattfinden. Dies gilt im Allgemeinen für warmblütige Tiere..
Andere Beispiele sind Eis, das in der Hitze schmilzt, wenn der Frühling kommt, und Eiswürfel, die das Getränk abkühlen..
Artikelverzeichnis
-Der Stoffwechsel von Warmblütern erfolgt bei konstanter Temperatur.
-Wenn das Wasser kocht, tritt ein Phasenwechsel von flüssig zu gasförmig auf, und die Temperatur bleibt konstant bei ungefähr 100 ° C, da andere Faktoren den Wert beeinflussen können.
-Das Schmelzen von Eis ist ein weiterer üblicher isothermer Prozess, ebenso wie das Einfüllen von Wasser in den Gefrierschrank, um Eiswürfel herzustellen..
-Automotoren, Kühlschränke sowie viele andere Maschinentypen arbeiten in einem bestimmten Temperaturbereich ordnungsgemäß. Geräte aufgerufen Thermostate. Bei der Konstruktion werden verschiedene Funktionsprinzipien verwendet.
Ein Carnot-Motor ist eine ideale Maschine, mit der dank vollständig reversibler Prozesse Arbeit geleistet wird. Es ist eine ideale Maschine, da sie keine Prozesse berücksichtigt, die Energie abführen, wie z. B. die Viskosität der Substanz, die die Arbeit erledigt, oder die Reibung.
Der Carnot-Zyklus besteht aus vier Stufen, von denen zwei genau isotherm und die anderen zwei adiabatisch sind. Isotherme Stufen sind die Kompression und Expansion eines Gases, das für die Erzeugung nützlicher Arbeit verantwortlich ist.
Ein Automotor arbeitet nach ähnlichen Prinzipien. Die Bewegung eines Kolbens im Zylinder wird auf andere Teile des Fahrzeugs übertragen und erzeugt eine Bewegung. Es hat nicht das Verhalten eines idealen Systems wie des Carnot-Motors, aber thermodynamische Prinzipien sind üblich.
Um die Arbeit eines Systems bei konstanter Temperatur zu berechnen, muss der erste Hauptsatz der Thermodynamik verwendet werden, der besagt:
ΔU = Q - W.
Dies ist eine weitere Möglichkeit, die Energieeinsparung im System auszudrücken, die durch dargestellt wird ΔU oder Änderung der Energie, Q. wie die Wärme geliefert und schließlich W., Was ist die Arbeit, die von diesem System geleistet wird?.
Angenommen, das fragliche System ist ein ideales Gas, das im Zylinder eines beweglichen Flächenkolbens enthalten ist ZU, was funktioniert, wenn seine Lautstärke V. Änderung von V.1 zu V.zwei.
Die ideale Gaszustandsgleichung ist PV = nRT, welches Volumen mit Druck in Beziehung setzt P. und die Temperatur T.. Die Werte von n und R sind konstant: n ist die Molzahl des Gases und R die Konstante der Gase. Im Falle eines isothermen Prozesses das Produkt PV es ist konstant.
Nun, die geleistete Arbeit wird berechnet, indem eine kleine Differentialarbeit integriert wird, in die eine Kraft eingeht F. erzeugt einen kleinen Versatz dx:
dW = Fdx = PAdx
Was Adx ist die genaue Variation des Volumens dV, dann:
dW = PdV
Um die Gesamtarbeit in einem isothermen Prozess zu erhalten, integrieren wir den Ausdruck für dW:
Der Druck P. und die Lautstärke V. sind in einem Diagramm grafisch dargestellt P-V Wie in der Abbildung gezeigt, entspricht die geleistete Arbeit der Fläche unter der Kurve:
Was ΔU = 0 Da die Temperatur konstant bleibt, muss man in einem isothermen Prozess:
Q = W.
Ein mit einem beweglichen Kolben ausgestatteter Zylinder enthält ein ideales Gas bei 127 ºC. Wenn sich der Kolben bewegt, um das Anfangsvolumen um das Zehnfache zu verringern, wobei die Temperatur konstant gehalten wird, ermitteln Sie die Anzahl der in der Flasche enthaltenen Mol Gas, wenn die am Gas geleistete Arbeit 38.180 J beträgt.
Tatsache: R = 8,3 J / mol. K.
Die Aussage besagt, dass die Temperatur konstant bleibt, daher befinden wir uns in Gegenwart eines isothermen Prozesses. Für die Arbeit am Gas haben wir die zuvor abgeleitete Gleichung:
127 ° C = 127 + 273 K = 400 K.
Löse nach n die Anzahl der Mol:
n = W / RT ln (V2 / V1) = -38 180 J / 8,3 J / mol K · 400 K · ln (V.zwei/ 10Vzwei) = 5 Mol
Der Arbeit ging ein negatives Vorzeichen voraus. Der aufmerksame Leser wird im vorhergehenden Abschnitt bemerkt haben, dass W als "vom System geleistete Arbeit" definiert wurde und ein + -Zeichen hat. Die "am System geleistete Arbeit" hat also ein negatives Vorzeichen.
Sie haben Luft in einem Zylinder, der mit einem Kolben ausgestattet ist. Anfangs sind es 0,4 m3 Gas unter Druck 100 kPa und 80ºC Temperatur. Luft wird auf 0,1 m komprimiert3 Stellen Sie sicher, dass die Temperatur im Zylinder während des Vorgangs konstant bleibt.
Bestimmen Sie, wie viel Arbeit während dieses Vorgangs erledigt wird.
Wir verwenden die Gleichung für zuvor abgeleitete Arbeiten, aber die Anzahl der Mol ist unbekannt, was mit der idealen Gasgleichung berechnet werden kann:
80 ° C = 80 + 273 K = 353 K..
P.1V.1 = n.R.T → n = P.1V.1 / RT = 100000 Pa x 0,4 m3 / 8,3 J / mol. K x 353 K = 13,65 mol
W = n.R.T ln (V.zwei/ V.1) = 13,65 mol · 8,3 J / mol. K x 353 K x ln (0,1 / 0,4) = -55,442,26 J.
Wiederum zeigt das negative Vorzeichen an, dass Arbeiten am System durchgeführt wurden, was immer dann der Fall ist, wenn das Gas komprimiert wird.
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