Mis on termodünaamiline protsess? Füüsika KKK

Süsteem läbib termodünaamilise protsessi, kui süsteemis toimub mingi energiline muutus, mis on tavaliselt seotud rõhu, ruumala, sisemine energia, temperatuur või ükskõik milline soojusülekanne.

On mitmeid spetsiifilisi termodünaamilisi protsesse, mis juhtuvad piisavalt sageli (ja praktilistes olukordades), et neid termodünaamika uurimisel tavaliselt käsitletakse. Igal neist on unikaalne omadus, mis seda identifitseerib ja mis on kasulik protsessiga seotud energia ja töö muutuste analüüsimisel.

• Adiabaatiline protsess - protsess, kus soojust ei kanta süsteemi sisse ega välja.
• Isokooriline protsess - protsess, mille maht ei muutu, sel juhul süsteem ei tööta.
• Isobaarne protsess - protsess, milles rõhk ei muutu.
• Isotermiline protsess - protsess, kus temperatuur ei muutu.

Ühes protsessis on võimalik mitu protsessi. Kõige ilmsem näide oleks juhtum, kus ruumala ja rõhu muutused ei põhjusta temperatuuri muutumist ega soojusülekannet - selline protsess oleks nii adiabaatiline kui ka isotermiline.

Matemaatiliselt: termodünaamika esimene seadus saab kirjutada järgmiselt:

delta- U = Q - W või Q = delta- U + W
kus

• delta-U = süsteemi muutus sisemises energias
• Q = soojus, mis kantakse süsteemi või sellest välja.
• W = süsteemi poolt või selle peal tehtud töö.

Ülalkirjeldatud spetsiaalsete termodünaamiliste protsesside analüüsimisel leiame sageli (ehkki mitte alati) väga õnneliku tulemuse - ühe neist suurustest väheneb nullini!

Näiteks puudub adiabaatilises protsessis soojusülekanne, seega Q = 0, mille tulemuseks on väga sirgjooneline seos sisemise energia ja töö vahel: delta-Q = -W. Nende unikaalsete omaduste täpsema teabe saamiseks vaadake nende protsesside individuaalseid määratlusi.

Enamik termodünaamilisi protsesse kulgeb loomulikult ühest suunast teise. Teisisõnu - neil on eelistatud suund.

Kuumus voolab kuumemast objektist külmemaks. Gaasid laienevad ruumi täitmiseks, kuid ei kao spontaanselt väiksema ruumi täitmiseks. Mehaanilise energia saab täielikult muuta soojuseks, kuid soojust täielikult mehaaniliseks energiaks muuta on praktiliselt võimatu.

Mõni süsteem läbib siiski pöörduva protsessi. Üldiselt juhtub see siis, kui süsteem on alati termilise tasakaalu lähedal, nii süsteemi enda sees kui ka mis tahes ümbruses. Sel juhul võivad süsteemi tingimuste lõpmatuslikud muutused põhjustada protsessi teist teed. Sellisena nimetatakse pöörduvat protsessi ka kui tasakaaluprotsess.

Näide 1: Kaks metalli (A & B) on termilises kontaktis ja termiline tasakaal. Metalli A kuumutatakse lõpmatuseni, nii et soojus voolab sellest metalli B. Selle protsessi saab ümber pöörata, jahutades A lõpmatuseni, sel hetkel hakkab soojus voolama punktist B punkti A, kuni nad on taas termilises tasakaalus.

Näide 2: Gaas paisub aeglaselt ja adiabaatiliselt pöörduvas protsessis. Kui suurendate rõhku lõpmatuseni, võib sama gaas aeglaselt ja adiabaatiliselt tagasi algseisundisse suruda.

Tuleb märkida, et need on mõnevõrra idealiseeritud näited. Praktilistel eesmärkidel kaotab termilises tasakaalus olev süsteem termilise tasakaalu oleku, kui üks neist muudatustest on sisse viidud... seega pole protsess tegelikult täielikult pöörduv. See on idealiseeritud mudel kuidas selline olukord juhtuks, kuigi katsetingimuste hoolika kontrolli all saab läbi viia protsessi, mis on äärmiselt lähedal täielikult pöörduvale.

Enamik protsesse muidugi on pöördumatud protsessid (või tasakaalukad protsessid). Pidurite hõõrdumise kasutamine teie autol töötamiseks on pöördumatu protsess. Õhku laskmine õhupalliga ruumist on pöördumatu protsess. Jääploki asetamine kuuma tsemendi kõnniteele on pöördumatu protsess.

Üldiselt on need pöördumatud protsessid termodünaamika teise seaduse tagajärg, mida sageli määratletakse entroopiavõi süsteemi häire.

Termodünaamika teist seadust saab väljendada mitmel viisil, kuid põhimõtteliselt piirab see seda, kui tõhus võib olla igasugune soojusülekanne. Termodünaamika teise seaduse kohaselt kaob protsessis alati osa soojusest, mistõttu pole pärismaailmas võimalik täielikult pöörduvat protsessi.

Me nimetame mis tahes seadet, mis muundab soojuse osaliselt tööks või mehaaniliseks energiaks a soojusmootor. Soojusmootor teeb seda soojuse kandmisel ühest kohast teise, tehes selle nimel tööd.

Termodünaamikat kasutades on võimalik analüüsida termiline efektiivsus soojusmootori ja see on teema, mida käsitletakse enamikes sissejuhatavates füüsikakursustel. Siin on mõned soojusmootorid, mida füüsikakursustel sageli analüüsitakse:

• Sisepõlemismootor - kütusel töötav mootor, näiteks autodes kasutatav mootor. "Otto tsükkel" määratleb tavalise bensiinimootori termodünaamilise protsessi. "Diiseltsükkel" viitab diiselmootoritele.
• Külmik - Soojusmootor tagurpidi, külmik võtab soojuse külmast kohast (külmiku sees) ja viib selle sooja kohta (väljaspool külmkappi).
• Soojus pump - Soojuspump on külmikusarnase tüüpi soojusmootor, mida kasutatakse hoonete soojendamiseks välisõhu jahutamisega.

1924. aastal lõi prantsuse insener Sadi Carnot idealiseeritud hüpoteetilise mootori, mille maksimaalne efektiivsus oli kooskõlas termodünaamika teise seadusega. Oma efektiivsuse kohta jõudis ta järgmise võrrandini: e_Carnot:

e_Carnot = ( T_H - T_C) / T_H

T_H ja T_C on vastavalt kuuma ja külma mahuti temperatuurid. Väga suure temperatuurierinevusega saavutate kõrge efektiivsuse. Madal kasutegur on siis, kui temperatuuride erinevus on väike. Kasutegur on 1 (100% tõhusus) ainult siis T_C = 0 (s.o. absoluutväärtus) mis on võimatu.