Što je termodinamički proces? Česta pitanja iz fizike

Sustav se podvrgava termodinamičkom procesu kada postoji neka vrsta energetskih promjena unutar sustava, uglavnom povezanih s promjenama tlaka, volumena, unutarnja energija, temperaturu ili bilo koju vrstu prijenos topline.

Postoji nekoliko specifičnih vrsta termodinamičkih procesa koji se događaju dovoljno često (i u praktičnim situacijama) da se oni obično tretiraju u studiji termodinamike. Svaki od njih ima jedinstvenu osobinu koja ga identificira i koja je korisna u analizi energije i radnih promjena povezanih s postupkom.

• Adiabatski proces - postupak bez prijenosa topline u ili van sustava.
• Izohorni proces - postupak bez promjene volumena, u kojem slučaju sustav ne radi.
• Izobarski proces - postupak bez promjene tlaka.
• Izotermalni proces - postupak bez promjene temperature.

Moguće je imati više procesa unutar jednog procesa. Najočitiji primjer bi bio slučaj gdje se mijenjaju volumen i tlak, što ne rezultira promjenom temperature ili prijenosom topline - takav bi postupak bio i adijabatski i izotermičan.

Matematički gledano, the prvi zakon termodinamike može se napisati kao:

delta- U = P - W ili P = delta- U + W
gdje

• delta-U = promjena unutarnje energije u sustavu
• P = toplina koja se prenosi u sustav ili van njega.
• W = posao obavljen u ili u sustavu.

Analizirajući jedan od gore opisanih posebnih termodinamičkih procesa, često (iako ne uvijek) nalazimo vrlo sretan ishod - jedna od tih količina smanjuje na nulu!

Na primjer, u adiabatskom procesu nema prijenosa topline, pa P = 0, što rezultira izravnim odnosom između unutarnje energije i rada: delta-P = -W. Pogledajte pojedinačne definicije ovih procesa za konkretnije detalje o njihovim jedinstvenim svojstvima.

Većina termodinamičkih procesa odvija se prirodno iz jednog smjera u drugi. Drugim riječima, oni imaju preferirani smjer.

Toplina struje iz toplijeg predmeta u hladniji. Plinovi se šire kako bi napunili prostoriju, ali neće se spontano ugovoriti da bi popunili manji prostor. Mehanička se energija može u potpunosti pretvoriti u toplinu, ali gotovo je nemoguće potpuno pretvoriti toplinu u mehaničku energiju.

Međutim, neki sustavi prolaze kroz reverzibilni proces. Općenito, to se događa kada je sustav uvijek blizu toplinske ravnoteže, kako unutar samog sustava tako i bilo kojeg okruženja. U ovom slučaju, beskonačno male promjene uvjeta sustava mogu dovesti do toga da proces ide drugim putem. Kao takav, reverzibilni proces je također poznat kao an ravnotežni proces.

Primjer 1: Dva metala (A&B) su u termičkom kontaktu i toplinska ravnoteža. Metal A se zagrijava u beskonačnoj minimalnoj količini, tako da toplina od njega teče do metala B. Ovaj se proces može preokrenuti hlađenjem A beskonačno male količine, u kojoj će trenutku toplina početi teći od B do A sve dok se ponovno ne nađu u toplinskoj ravnoteži.

Primjer 2: Plin se širi polako i adijabatno u reverzibilnom procesu. Povećavanjem tlaka u beskonačnoj minimalnoj količini, isti se plin može polako i adijabatski komprimirati natrag u početno stanje.

Treba napomenuti da su to pomalo idealizirani primjeri. U praktične svrhe, sustav koji je u toplinskoj ravnoteži prestaje biti u toplinskoj ravnoteži nakon što se uvede jedna od tih promjena... stoga postupak zapravo nije u potpunosti reverzibilan. To je idealizirani model o tome kako bi se takva situacija odvijala, premda se uz pažljivu kontrolu eksperimentalnih uvjeta može provesti proces koji je vrlo blizu reverzibilnosti u potpunosti.

Većina procesa je, naravno nepovratni procesi (ili neravnotežni procesi). Upotreba trenja kočnica djeluje na vašem automobilu nepovratan je proces. Puštanje zraka iz balona u sobu je nepovratan proces. Postavljanje leda na vrući cementni nogostup je nepovratan proces.

Sveukupno, ovi nepovratni procesi posljedica su drugog zakona termodinamike, koji se često definira u smislu entropijaili poremećaj sustava.

Postoji nekoliko načina formuliranja drugog zakona termodinamike, ali on u osnovi postavlja ograničenje koliko učinkovit prijenos topline može biti. Prema drugom zakonu termodinamike, u procesu će se uvijek izgubiti nešto topline, zbog čega u stvarnom svijetu nije moguće imati potpuno reverzibilan proces.

Svaki uređaj koji toplinu djelomično pretvara u radnu ili mehaničku energiju nazivamo a toplotna mašina. Toplotni motor to radi tako što prenosi toplinu s jednog mjesta na drugo, radeći neke poslove na putu.

Pomoću termodinamike moguće je analizirati toplinska učinkovitost toplinskog motora, a to je tema obrađena u većini uvodnih kolegija fizike. Evo nekoliko toplinskih motora koji se često analiziraju na tečajevima fizike:

• Motor s unutrašnjom sagorijevanjem - Motor s pogonom na gorivo, poput onih koji se koriste u automobilima. "Otto ciklus" definira termodinamički proces redovitog benzinskog motora. "Dizelski ciklus" odnosi se na motore na dizel.
• Hladnjak - Toplinski motor zauzvrat, hladnjak uzima toplinu iz hladnog mjesta (unutar hladnjaka) i prenosi je na toplo mjesto (izvan hladnjaka).
• Toplinska pumpa - Toplinska pumpa je tip toplinskog motora, sličan hladnjaku, koji se koristi za zagrijavanje zgrada hlađenjem vanjskog zraka.

Francuski inženjer Sadi Carnot stvorio je 1924. godine idealizirani, hipotetički motor koji je imao najveću moguću efikasnost u skladu s drugim zakonom termodinamike. Došao je do sljedeće jednadžbe zbog svoje učinkovitosti, e_Carnot:

e_Carnot = ( T_H - T_C) / T_H

T_H i T_C su temperature vrućih i hladnih rezervoara, odn. S vrlo velikom temperaturnom razlikom postižete visoku učinkovitost. Do niske učinkovitosti dolazi ako je temperaturna razlika mala. Učinkovitost od 1 (100%) postižete samo ako T_C = 0 (tj. apsolutna vrijednost) što je nemoguće.