ANO ANG ISANG ISOTHERMAL NA PROSESO? (HALIMBAWA, EHERSISYO) - PISIKAL - 2025

Ang isothermal o isothermal na proseso ay isang maibabalik na proseso ng thermodynamic kung saan ang temperatura ay nananatiling pare-pareho. Sa isang gas, may mga sitwasyon kung saan ang pagbabago sa system ay hindi gumagawa ng mga pagkakaiba-iba sa temperatura, ngunit ginagawa sa mga pisikal na katangian.

Ang mga pagbabagong ito ay ang mga pagbabago sa phase, kapag ang sangkap ay nagbabago mula sa solid hanggang likido, mula sa likido sa gas o kabaligtaran. Sa ganitong mga kaso, ang mga molekula ng sangkap ay nababagay ng kanilang posisyon, pagdaragdag o pagkuha ng thermal energy.

Larawan 1. Ang natutunaw na mga icicle ay isang halimbawa ng isang proseso ng isothermal. Pinagmulan: Pixabay.

Ang thermal energy na kinakailangan para sa pagbabago ng phase na maganap sa isang sangkap ay tinatawag na latent heat o heat of transformation.

Ang isang paraan upang makagawa ng isang isothermal ng proseso ay ang ilagay ang sangkap na magiging sistema sa ilalim ng pag-aaral na makipag-ugnay sa isang panlabas na thermal reservoir, na kung saan ay isa pang sistema na may mataas na kapasidad ng caloric. Sa ganitong paraan, ang gayong isang mabagal na pagpapalitan ng init ay nangyayari na ang temperatura ay nananatiling pare-pareho.

Ang ganitong uri ng proseso ay madalas na nangyayari sa kalikasan. Halimbawa, sa mga tao kapag tumaas o bumagsak ang temperatura ng katawan nakakaramdam tayo ng sakit, dahil sa ating katawan maraming reaksyon ng kemikal na nagpapanatili ng buhay na nangyayari sa isang palaging temperatura. Totoo ito para sa mga hayop na may mainit na dugo sa pangkalahatan.

Ang iba pang mga halimbawa ay yelo na natutunaw sa init kapag dumating ang tagsibol at mga cubes ng yelo na pinapalamig ang inumin.

-Ang metabolismo ng mga hayop na may mainit na dugo ay isinasagawa sa isang palaging temperatura.

Larawan 2. Ang mga hayop na may dugo na mainit ay may mga mekanismo upang mapanatili ang pare-pareho ang temperatura. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

-Kapag ang tubig na kumukulo, nangyayari ang pagbabago sa phase, mula sa likido hanggang sa gas, at ang temperatura ay nananatiling patuloy sa humigit-kumulang 100 º C, dahil ang iba pang mga kadahilanan ay maaaring maimpluwensyahan ang halaga.

-Ang paggawa ng yelo ay isa pang karaniwang proseso ng isothermal, tulad ng paglalagay ng tubig sa freezer upang makagawa ng mga ice cubes.

-Ang mga makina ng engine, refrigerator, pati na rin ang maraming iba pang mga uri ng makinarya, gumana nang tama sa isang tiyak na saklaw ng temperatura. Ginagamit ang mga aparato na tinatawag na mga thermostat upang mapanatili ang tamang temperatura. Ang iba't ibang mga prinsipyo ng operating ay ginagamit sa disenyo nito.

Ang Carnot cycle

Ang isang Carnot engine ay isang mainam na makina mula sa kung saan ang trabaho ay nakuha salamat sa ganap na mababalik na mga proseso. Ito ay isang mainam na makina sapagkat hindi nito isinasaalang-alang ang mga proseso na nagpapakalat ng enerhiya, tulad ng lagkit ng sangkap na gumagawa ng gawain, o alitan.

Ang Carnot cycle ay binubuo ng apat na yugto, ang dalawa ay tiyak na isothermal at ang iba pang dalawa ay adiabatic. Ang mga yugto ng isothermal ay ang compression at pagpapalawak ng isang gas na responsable para sa paggawa ng kapaki-pakinabang na gawain.

Ang isang makina ng kotse ay nagpapatakbo sa mga katulad na prinsipyo. Ang paggalaw ng isang piston sa loob ng silindro ay ipinadala sa iba pang mga bahagi ng kotse at gumagawa ng paggalaw. Wala itong pag-uugali ng isang mainam na sistema tulad ng Carnot engine, ngunit ang mga prinsipyo ng thermodynamic ay pangkaraniwan.

Pagkalkula ng gawaing ginagawa sa isang isothermal na proseso

Upang makalkula ang gawaing ginawa ng isang sistema kapag pare-pareho ang temperatura, dapat nating gamitin ang unang batas ng thermodynamics, na nagsasaad:

Ito ay isa pang paraan ng pagpapahayag ng pag-iimbak ng enerhiya sa system, na ipinakita sa pamamagitan ng ΔU o pagbabago sa enerhiya, Q bilang suplay ng init at sa wakas W, na ang gawaing ginawa ng nasabing sistema.

Ipagpalagay na ang sistema na pinag-uusapan ay isang mainam na gas na nakapaloob sa silindro ng isang gumagalaw na piston ng lugar A, na gumagana kapag ang dami ng V ay nagbabago mula V ₁ hanggang V _2.

Larawan 3. Sa isang proseso ng isothermal, ang gas ay lumalawak sa piston nang hindi binabago ang temperatura. Pinagmulan: youtube.

Ang mainam na equation ng gas ng estado ay ang PV = nRT, na nauugnay ang dami sa presyon ng P at temperatura T. Ang mga halaga ng n at R ay pare-pareho: n ay ang bilang ng mga moles ng gas at R ay ang pare-pareho ng mga gas. Sa kaso ng isang isothermal na proseso ang produkto ng PV ay palaging.

Sa gayon, ang gawaing nagawa ay kinakalkula sa pamamagitan ng pagsasama ng isang maliit na gawa sa kaugalian, kung saan ang isang puwersa F ay gumagawa ng isang maliit na pag-aalis ng dx:

Dahil ang Adx ay tiyak na dami ng pagkakaiba-iba ng dV, kung gayon:

Upang makuha ang kabuuang trabaho sa isang isothermal na proseso, isinasama namin ang expression para sa dW:

Ang presyon P at dami V ay naka-plot sa isang diagram ng PV tulad ng ipinakita sa figure, at ang gawaing ginagawa ay katumbas ng lugar sa ilalim ng curve:

Larawan 4. diagram ng PV ng isang isothermal na proseso. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Dahil ang ΔU = 0 simula ng patuloy ang temperatura, sa isang isothermal na proseso mayroon kami:

- Ehersisyo 1

Ang isang silindro na nilagyan ng isang gumagalaw na piston ay naglalaman ng isang mainam na gas sa 127ºC. Kung ang piston ay gumagalaw upang mabawasan ang paunang dami ng 10 beses, pinapanatili ang pare-pareho ang temperatura, hanapin ang bilang ng mga moles ng gas na nilalaman sa silindro, kung ang gawa na ginawa sa gas ay 38,180 J.

Data : R = 8.3 J / mol. K

Solusyon

Ang pahayag ay nagsasabi na ang temperatura ay nananatiling pare-pareho, samakatuwid kami ay nasa pagkakaroon ng isang isothermal na proseso. Para sa mga gawaing ginawa sa gas ay mayroon kaming dati na deduction equation:

127 º C = 127 + 273 K = 400 K

Malutas para sa n, ang bilang ng mga moles:

n = W / RT ln (V2 / V1) = -38 180 J / 8.3 J / mol. K x 400 K x ln (V ₂ / 10V ₂ ) = 5 moles

Ang trabaho ay nauna sa isang negatibong tanda. Mapapansin ng mambabasa ng mambabasa sa naunang seksyon na ang W ay tinukoy bilang "gawa na ginawa ng system" at mayroong isang + sign. Kaya ang "gawaing ginawa sa system" ay may negatibong pag-sign.

- Ehersisyo 2

Mayroon kang hangin sa isang silindro na nilagyan ng isang plunger. Sa una ay may 0.4 m ³ ng gas sa 100 kPa pressure at 80ºC temperatura. Ang hangin ay naka-compress sa 0.1 m ^{3 na} tinitiyak na ang temperatura sa loob ng silindro ay nananatiling pare-pareho sa panahon ng proseso.

Alamin kung magkano ang nagawa sa prosesong ito.

Solusyon

Ginagamit namin ang equation para sa trabaho na dating nakuha, ngunit ang bilang ng mga mol ay hindi alam, na maaaring kalkulahin gamit ang perpektong equation ng gas:

80 º C = 80 + 273 K = 353 K.

P ₁ V ₁ = nRT → n = P ₁ V ₁ / RT = 100000 Pa x 0.4 m ³ /8.3 J / mol. K x 353 K = 13.65 mol

W = nRT ln (V ₂ / V ₁ ) = 13.65 mol x 8.3 J / mol. K x 353 K x ln (0.1 /0.4) = -55.442.26 J

Muli ang negatibong pag-sign ay nagpapahiwatig na ang trabaho ay tapos na sa system, na laging nangyayari kapag ang compress ng gas.

Mga Sanggunian

1. Bauer, W. 2011. Physics para sa Teknolohiya at Siyensya. Dami 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Thermodynamics. 7 ^ma Edition. McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Serye: Physics para sa Science at Engineering. Dami 4. Mga likido at Thermodynamics. Na-edit ni Douglas Figueroa (USB).
4. Knight, R. 2017. Physics para sa Siyentipiko at Teknolohiya: isang Diskarte sa Diskarte.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Mga Batayang Pangkatangay ng Pisika. 9 ^na Cengage Learning.
6. Wikipedia. Proseso ng Isothermal. Nabawi mula sa: en.wikipedia.org.