Ce este un proces termodinamic? Întrebări frecvente de fizică

Un sistem este supus unui proces termodinamic atunci când există un fel de schimbare energetică în cadrul sistemului, în general asociată cu schimbări de presiune, volum, energie interna, temperatura sau orice fel de transfer de căldură.

Există mai multe tipuri specifice de procese termodinamice care se întâmplă destul de frecvent (și în situații practice) încât sunt tratate în mod obișnuit în studiul termodinamicii. Fiecare are o trăsătură unică care o identifică și care este utilă în analizarea schimbărilor energetice și de lucru legate de proces.

• Procesul adiabatic - un proces fără transfer de căldură în sau din sistem.
• Procesul ischoric - un proces fără modificări de volum, caz în care sistemul nu funcționează.
• Proces izobaric - un proces fără modificări de presiune.
• Procesul izotermic - un proces fără modificări de temperatură.

Este posibil să aveți mai multe procese într-un singur proces. Exemplul cel mai evident ar fi un caz în care volumul și presiunea se modifică, ceea ce duce la nicio schimbare a temperaturii sau a transferului de căldură - un astfel de proces ar fi atât adiabatic, cât și izoterm.

În termeni matematici, prima lege a termodinamicii poate fi scris ca:

delta- U = Q - W sau Q = delta- U + W
Unde

• delta-U = schimbarea sistemului în energia internă
• Q = căldură transferată în sau din sistem.
• W = munca depusă de sau pe sistem.

Atunci când analizăm unul dintre procesele termodinamice speciale descrise mai sus, găsim frecvent (deși nu întotdeauna) un rezultat foarte norocos - una dintre aceste cantități se reduce la zero!

De exemplu, într-un proces adiabatic nu există transfer de căldură, deci Q = 0, rezultând o relație foarte simplă între energia internă și muncă: delta-Q = -W. Consultați definițiile individuale ale acestor procese pentru detalii mai specifice despre proprietățile lor unice.

Majoritatea proceselor termodinamice se desfășoară în mod natural dintr-o direcție în alta. Cu alte cuvinte, au o direcție preferată.

Căldura curge de la un obiect mai cald la unul mai rece. Gazele se extind pentru a umple o cameră, dar nu se vor contracta spontan pentru a umple un spațiu mai mic. Energia mecanică poate fi transformată complet în căldură, dar este practic imposibil de transformat căldura complet în energie mecanică.

Cu toate acestea, unele sisteme trec printr-un proces reversibil. În general, acest lucru se întâmplă atunci când sistemul este întotdeauna aproape de echilibrul termic, atât în ​​interiorul sistemului în sine, cât și în orice împrejurimi. În acest caz, modificările infinitezimale ale condițiilor sistemului pot determina procesul să meargă în sens invers. Ca atare, un proces reversibil este cunoscut și sub denumirea de proces de echilibru.

Exemplul 1: Două metale (A & B) sunt în contact termic și echilibru termic. Metalul A este încălzit o cantitate infinitesimală, astfel încât căldura curge de la acesta la metalul B. Acest proces poate fi inversat prin răcirea A o cantitate infinitesimală, moment în care căldura va începe să curgă de la B la A până când vor fi din nou în echilibru termic.

Exemplul 2: Un gaz este extins lent și adiabatic într-un proces reversibil. Prin creșterea presiunii cu o cantitate infinitesimală, același gaz se poate comprima încet și adiabatic înapoi la starea inițială.

Trebuie menționat că acestea sunt exemple oarecum idealizate. În scopuri practice, un sistem care se află în echilibru termic încetează să mai fie în echilibru termic odată cu introducerea uneia dintre aceste modificări... astfel procesul nu este de fapt complet reversibil. Este un model idealizat despre cum ar avea loc o astfel de situație, deși cu un control atent al condițiilor experimentale se poate derula un proces care este extrem de aproape de a fi pe deplin reversibil.

Majoritatea proceselor, desigur, sunt procese ireversibile (sau procese de echilibru). Folosirea fricțiunilor frânei lucra la mașina dvs. este un proces ireversibil. Lăsarea aerului dintr-un balon eliberat în cameră este un proces ireversibil. Plasarea unui bloc de gheață pe o pasarelă de ciment fierbinte este un proces ireversibil.

În general, aceste procese ireversibile sunt o consecință a celei de-a doua legi a termodinamicii, care este des definită în termeni de entropiesau tulburare a unui sistem.

Există mai multe moduri de a propune a doua lege a termodinamicii, dar, practic, limitează cât de eficient poate fi orice transfer de căldură. Conform celei de-a doua legi a termodinamicii, o anumită căldură se va pierde întotdeauna în proces, motiv pentru care nu este posibil să existe un proces complet reversibil în lumea reală.

Numim orice dispozitiv care transformă căldura parțial în energie de lucru sau mecanică a motor termic. Un motor de căldură face acest lucru prin transferul de căldură dintr-un loc în altul, obținând unele lucrări pe parcurs.

Folosind termodinamica este posibilă analiza eficiență termică a unui motor de căldură și acesta este un subiect abordat în majoritatea cursurilor de fizică introductivă. Iată câteva motoare termice care sunt analizate frecvent la cursurile de fizică:

• Motor cu combustie internă - Un motor alimentat cu combustibil, cum ar fi cele utilizate în automobile. „Ciclul Otto” definește procesul termodinamic al unui motor obișnuit pe benzină. "Ciclul Diesel" se referă la motoare cu motor diesel.
• Frigider - Un motor de căldură în sens invers, frigiderul preia căldura dintr-un loc rece (în interiorul frigiderului) și îl transferă într-un loc cald (în afara frigiderului).
• Pompa de caldura - O pompă de căldură este un tip de motor termic, similar cu un frigider, care este utilizat pentru încălzirea clădirilor prin răcirea aerului exterior.

În 1924, inginerul francez Sadi Carnot a creat un motor idealizat, ipotetic, care avea eficiența maximă compatibilă cu a doua lege a termodinamicii. A ajuns la următoarea ecuație pentru eficiența sa, e_Carnot:

e_Carnot = ( T_H - T_C) / T_H

T_H și T_C sunt temperaturile rezervoarelor calde și, respectiv, reci. Cu o diferență de temperatură foarte mare, obțineți o eficiență ridicată. O eficiență scăzută vine dacă diferența de temperatură este scăzută. Obțineți o eficiență de 1 (100% eficiență) doar dacă T_C = 0 (adică valoare absolută) ceea ce este imposibil.