Mis on füüsikas isotermiline protsess?

Füüsika uurib objekte ja süsteeme, et mõõta nende liikumist, temperatuuri ja muid füüsikalisi omadusi. Seda saab rakendada ükskõik millele, alates üherakulistest organismidest kuni mehaaniliste süsteemideni kuni planeetide, tähtede ja galaktikani ning neid juhtivate protsessideni. Füüsikas termodünaamika on haru, mis keskendub muutustele energia (soojuse) sisaldus süsteemi omadustes mis tahes füüsikalise või keemilise reaktsiooni ajal.

"Isotermiline protsess" - termodünaamiline protsess, milles süsteemi temperatuur püsib konstantsena. soojuse ülekandmine süsteemi sisenemine või sealt väljumine toimub nii aeglaselt, et termiline tasakaal säilitatakse. "Termiline" on termin, mis kirjeldab süsteemi soojust. "Iso" tähendab "võrdset", seega "isotermiline" tähendab "võrdset soojust", mis määratleb termilise tasakaalu.

Üldiselt on isotermilise protsessi käigus muutused sisemises energia, soojusenergiaja töö, kuigi temperatuur jääb samaks. Midagi süsteemis töötab selle võrdse temperatuuri hoidmiseks. Üks lihtne ideaalnäide on Carnot Cycle, mis kirjeldab põhimõtteliselt seda, kuidas soojusmootor töötab, varustades gaasi soojusega. Selle tagajärjel paisub gaas silindris ja see surub kolvi mõne töö tegemiseks. Seejärel tuleb soojus või gaas silindrist välja lükata (või maha viia), et saaks toimuda järgmine kuumutus- / paisumistsükkel. See juhtub näiteks auto mootori sees. Kui see tsükkel on täiesti tõhus, on protsess isotermiline, kuna temperatuuri hoitakse rõhu muutumise ajal konstantsena.

Isotermilise protsessi põhialuste mõistmiseks kaaluge gaaside toimimist süsteemis. Sisemise energia ideaalne gaas sõltub ainult temperatuurist, seega muutub sisemise energia muutus isotermilise protsessi ajal ideaalne gaas on ka 0. Sellises süsteemis täidab kogu süsteemile (gaasi) lisatud soojus isotermilise protsessi säilitamiseks, kuni rõhk püsib püsiv. Ideaalse gaasi kaalumisel tähendab süsteemiga temperatuuri hoidmiseks tehtud töö põhimõtteliselt seda, et süsteemi rõhu suurenemisel peab gaasi maht vähenema.

Isotermilised protsessid on palju ja mitmekesised. Vee aurustumine õhku on üks, nagu ka vee keetmine konkreetsel keemistemperatuuril. Samuti on palju keemilisi reaktsioone, mis säilitavad termilise tasakaalu, ja bioloogias peetakse raku interaktsioone ümbritsevate rakkudega (või muu ainega) isotermiliseks protsessiks.

Aurutamine, sulamine ja keemine on samuti "faasimuutused". See tähendab, et need on muutused vees (või muudes vedelikes või gaasides), mis toimuvad konstantsel temperatuuril ja rõhul.

Füüsikas toimub selliste reaktsioonide ja protsesside kaardistamine diagrammide (graafikute) abil. Sees faasiskeem, kaardistatakse isotermiline protsess, järgides vertikaalset joont (või tasapinda) 3D-s faasiskeem) konstantsel temperatuuril. Rõhk ja maht võivad süsteemi temperatuuri hoidmiseks muutuda.

Kuna need muutuvad, on ainel võimalik muuta asja olek isegi kui selle temperatuur püsib püsiv. Seega tähendab vee aurustumine selle keemise ajal, et temperatuur püsib sama, kui süsteem muudab rõhku ja mahtu. Seejärel kaardistatakse temperatuuri püsivus piki skeemi.

Kui teadlased uurivad süsteemides isotermilisi protsesse, uurivad nad tegelikult soojust, energiat ja nendevaheline ühendus mehaanilise energiaga, mis on vajalik a temperatuuri muutmiseks või säilitamiseks süsteem. Selline mõistmine aitab bioloogidel uurida, kuidas elusolendid reguleerivad nende temperatuuri. See tuleb mängu ka tehnika, kosmoseteaduse, planeediteaduse, geoloogia ja paljude teiste teadusharude valdkonnas. Termodünaamilised energiatsüklid (ja seega isotermilised protsessid) on soojusmootorite peamine idee. Inimesed kasutavad neid seadmeid elektritootmisjaamade ja nagu eespool mainitud, autode, veoautode, lennukite ja muude sõidukite toiteks. Lisaks on sellised süsteemid olemas rakettidel ja kosmoselaevadel. Insenerid rakendavad nende süsteemide ja protsesside efektiivsuse suurendamiseks soojusjuhtimise (teisisõnu temperatuuri juhtimise) põhimõtteid.

Toimetanud ja värskendanud Carolyn Collins Petersen.