Kas yra termodinaminis procesas?
Ir kokie yra pagrindiniai tipai?

Automobilio variklis yra šilumos variklio tipas. Artur Azizkhanian / EyeEm / Getty Images
Sistemoje vyksta termodinaminis procesas, kai sistemoje vyksta tam tikri energetiniai pokyčiai, paprastai susiję su slėgio, tūrio, vidinė energija , temperatūra ar bet kokia šilumos perdavimas .
Pagrindiniai termodinaminių procesų tipai
Yra keletas specifinių termodinaminių procesų tipų, kurie vyksta pakankamai dažnai (ir praktinėse situacijose), kad jie paprastai būtų traktuojami tiriant termodinamiką. Kiekvienas iš jų turi unikalų bruožą, kuris jį identifikuoja ir yra naudingas analizuojant energijos ir darbo pokyčius, susijusius su procesu.
- Adiabatinis procesas - procesas be šilumos perdavimo į sistemą arba iš jos.
- Izochorinis procesas - procesas, kurio apimtis nesikeičia, tokiu atveju sistema neveikia.
- Izobarinis procesas - procesas be slėgio pokyčių.
- Izoterminis procesas - procesas be temperatūros pokyčių.
Viename procese gali būti keli procesai. Akivaizdžiausias pavyzdys būtų atvejis, kai keičiasi tūris ir slėgis, dėl to nesikeičia temperatūra ar šilumos perdavimas – toks procesas būtų ir adiabatinis, ir izoterminis.
Pirmasis termodinamikos dėsnis
Matematine prasme, pirmasis termodinamikos dėsnis gali būti parašytas taip:
delta- IN = K - Į arba K = delta- IN + Į
kur
- delta- IN = sistemos vidinės energijos pokytis
- K = šiluma, perduodama į sistemą arba iš jos.
- Į = darbas, atliktas sistemoje arba sistemoje.
Analizuodami vieną iš aukščiau aprašytų specialių termodinaminių procesų, dažnai (nors ir ne visada) randame labai sėkmingą rezultatą – vieną iš šių dydžių. sumažėja iki nulio !
Pavyzdžiui, adiabatiniame procese nėra šilumos perdavimo, taigi K = 0, todėl labai paprastas ryšys tarp vidinės energijos ir darbo: delta- K = - Į . Norėdami gauti tikslesnės informacijos apie jų unikalias savybes, žr. atskirus šių procesų apibrėžimus.
Grįžtamieji procesai
Dauguma termodinaminių procesų vyksta natūraliai iš vienos krypties į kitą. Kitaip tariant, jie turi pageidaujamą kryptį.
Šiluma teka iš karštesnio objekto į šaltesnį. Dujos plečiasi, kad užpildytų kambarį, tačiau spontaniškai nesusitrauks, kad užpildytų mažesnę erdvę. Mechaninė energija gali būti visiškai paversta šiluma, tačiau praktiškai neįmanoma visiškai paversti šilumos į mechaninę energiją.
Tačiau kai kuriose sistemose vyksta grįžtamasis procesas. Paprastai tai atsitinka, kai sistema visada yra arti šiluminės pusiausvyros tiek pačioje sistemoje, tiek su bet kokia aplinka. Tokiu atveju dėl be galo mažų sistemos sąlygų pokyčių procesas gali pasisukti kitu keliu. Taigi grįžtamasis procesas taip pat žinomas kaip an pusiausvyros procesas .
1 pavyzdys: Du metalai (A ir B) yra šiluminio kontakto ir šiluminė pusiausvyra . Metalas A kaitinamas be galo mažu kiekiu, todėl šiluma iš jo patenka į metalą B. Šį procesą galima pakeisti be galo mažu kiekiu A aušinant, o tada šiluma pradės tekėti iš B į A, kol vėl bus šiluminė pusiausvyra. .
2 pavyzdys: Dujos plečiasi lėtai ir adiabatiškai grįžtamuoju procesu. Padidinus slėgį be galo mažu kiekiu, tos pačios dujos gali lėtai ir adiabatiškai susispausti atgal į pradinę būseną.
Reikia pažymėti, kad tai yra šiek tiek idealizuoti pavyzdžiai. Praktiniais tikslais sistema, kuri yra šiluminėje pusiausvyroje, nustoja būti šiluminėje pusiausvyroje, kai įvedamas vienas iš šių pakeitimų... taigi procesas iš tikrųjų nėra visiškai grįžtamas. Tai yra idealizuotas modelis kaip susiklostytų tokia situacija, nors kruopščiai kontroliuojant eksperimentines sąlygas galima atlikti procesą, kuris yra labai artimas visiškai grįžtamam.
Negrįžtami procesai ir antrasis termodinamikos dėsnis
Žinoma, dauguma procesų yra negrįžtami procesai (arba nepusiausvyros procesai ). Stabdžių trinties naudojimas jūsų automobiliui yra negrįžtamas procesas. Oro leidimas iš baliono į kambarį yra negrįžtamas procesas. Ledo luito uždėjimas ant karšto cemento tako yra negrįžtamas procesas.
Apskritai šie negrįžtami procesai yra antrojo termodinamikos dėsnio, kuris dažnai apibrėžiamas kaip entropija arba sistemos sutrikimas.
Yra keletas būdų, kaip suformuluoti antrąjį termodinamikos dėsnį, tačiau iš esmės jis riboja šilumos perdavimo efektyvumą. Pagal antrąjį termodinamikos dėsnį proceso metu dalis šilumos visada bus prarasta, todėl realiame pasaulyje neįmanoma visiškai grįžtamojo proceso.
Šilumos varikliai, šilumos siurbliai ir kiti įrenginiai
A vadiname bet kokį įrenginį, kuris šilumą iš dalies paverčia darbo arba mechanine energija šiluminis variklis . Šilumos variklis tai daro perkeldamas šilumą iš vienos vietos į kitą ir atlikdamas tam tikrą darbą.
Naudojant termodinamiką, galima analizuoti šiluminis efektyvumas šilumos variklio, ir tai yra tema, nagrinėjama daugumoje įvadinių fizikos kursų. Štai keletas šiluminių variklių, kurie dažnai analizuojami fizikos kursuose:
Carnot ciklas
1924 m. prancūzų inžinierius Sadi Carnot sukūrė idealizuotą hipotetinį variklį, kuris turėjo didžiausią galimą efektyvumą, atitinkantį antrąjį termodinamikos dėsnį. Jis gavo tokią savo efektyvumo lygtį, ir Carnot:
ir Carnot= ( T H- T C) / T H
T Hir T Cyra atitinkamai karšto ir šalto rezervuarų temperatūra. Esant labai dideliam temperatūrų skirtumui, gaunamas didelis efektyvumas. Mažas efektyvumas atsiranda, jei temperatūros skirtumas yra mažas. Jūs gaunate tik 1 efektyvumą (100 % efektyvumą), jei T C= 0 (t. y. absoliučioji vertė ), kas neįmanoma.