Termodinamik Süreç Nedir? Fizik SSS

Bir sistem, genellikle basınç, hacimdeki değişiklikler ile ilişkili bir tür enerjik değişiklik olduğunda, termodinamik bir sürece maruz kalır. içsel enerji, sıcaklık veya her türlü ısı transferi.

Termodinamik çalışmalarında sıklıkla tedavi edildikleri kadar sık ​​(ve pratik durumlarda) gerçekleşen birkaç spesifik termodinamik süreç türü vardır. Her birinin onu tanımlayan ve süreçle ilgili enerji ve iş değişikliklerini analiz etmede yararlı olan benzersiz bir özelliği vardır.

• Adyabatik süreç - sisteme veya sistemden ısı transferi olmayan bir işlem.
• İzokorik süreç - hacim değişikliği olmayan bir süreç; bu durumda sistem çalışmaz.
• İzobarik süreç - basınçta değişiklik olmayan bir işlem.
• İzotermal süreç - sıcaklıkta değişiklik olmayan bir işlem.

Tek bir süreç içinde birden fazla işlem yapmak mümkündür. En bariz örnek, hacim ve basıncın değiştiği, sıcaklıkta veya ısı transferinde herhangi bir değişikliğe neden olmayan bir durum olacaktır - böyle bir süreç hem adyabatik hem de izotermal olacaktır.

Matematiksel olarak, termodinamiğin birinci yasası şu şekilde yazılabilir:

delta- U = S - W veya S = delta U + W
nerede

• delta-U = sistemin iç enerjideki değişimi
• S = sisteme giren veya çıkan ısı.
• W = sistem tarafından veya sistem üzerinde yapılan iş.

Yukarıda açıklanan özel termodinamik süreçlerden birini analiz ederken, (her zaman olmasa da) sıklıkla çok şanslı bir sonuç buluruz - bu miktarlardan biri sıfıra indirir!

Örneğin, adyabatik bir süreçte ısı transferi yoktur, bu nedenle S = 0, iç enerji ve iş arasında çok basit bir ilişki ile sonuçlanır: delta-S = -W. Benzersiz özellikleri hakkında daha spesifik ayrıntılar için bu işlemlerin bireysel tanımlarına bakın.

Çoğu termodinamik işlem doğal olarak bir yönden diğerine geçer. Başka bir deyişle, tercih edilen bir yönleri vardır.

Isı daha sıcak bir nesneden daha soğuk bir nesneye akar. Gazlar bir odayı doldurmak için genişler, ancak daha küçük bir alanı doldurmak için kendiliğinden büzülmez. Mekanik enerji tamamen ısıya dönüştürülebilir, ancak ısıyı tamamen mekanik enerjiye dönüştürmek neredeyse imkansızdır.

Bununla birlikte, bazı sistemler geri dönüşümlü bir süreçten geçer. Genel olarak bu, sistem her zaman hem sistemin içinde hem de çevresinde termal dengeye yakın olduğunda olur. Bu durumda, sistemin koşullarında yapılan sonsuz küçük değişiklikler, işlemin diğer yöne gitmesine neden olabilir. Bu haliyle, tersinir bir işlem aynı zamanda bir denge süreci.

Örnek 1: İki metal (A & B) termal temas halindedir ve Termal denge. Metal A, sonsuz miktarda ısıtılır, böylece ısı ondan metal B'ye akar. Bu işlem, A'nın sonsuz bir miktar soğutulmasıyla tersine çevrilebilir; bu noktada ısı, bir kez daha termal dengede olana kadar B'den A'ya akmaya başlar.

Örnek 2: Bir gaz geri dönüşümlü bir işlemde yavaşça ve adyabatik olarak genleşir. Basıncı sonsuz bir miktarda artırarak, aynı gaz yavaşça ve adyabatik olarak başlangıç ​​durumuna geri dönebilir.

Bunların biraz idealize edilmiş örnekler olduğuna dikkat edilmelidir. Pratik amaçlar için, termal dengede olan bir sistem, bu değişikliklerden biri tanıtıldığında termal dengede durur... dolayısıyla süreç aslında tamamen geri dönüşümlü değildir. O bir idealize model deneysel koşulların dikkatli bir şekilde kontrol edilmesine rağmen, tamamen tersinir olmaya son derece yakın bir süreç gerçekleştirilebilir.

Çoğu süreç, elbette, geri dönüşü olmayan süreçler (veya dengesiz süreçler). Frenlerinizin sürtünmesini kullanmak arabanızda çalışmaktan geri dönüşü olmayan bir işlemdir. Bir balonun salınımından odaya havanın bırakılması geri dönüşü olmayan bir işlemdir. Sıcak bir çimento yoluna bir buz bloğu yerleştirmek geri döndürülemez bir işlemdir.

Genel olarak, bu geri dönüşü olmayan süreçler, termodinamiğin ikinci kanununun bir sonucudur ve bu da sıklıkla entropiveya bir sistemin bozukluğu.

Termodinamiğin ikinci yasasını ifade etmenin birkaç yolu vardır, ancak temelde herhangi bir ısı transferinin ne kadar verimli olabileceği konusunda bir sınırlama getirmektedir. Termodinamiğin ikinci yasasına göre, süreçte her zaman bir miktar ısı kaybedilecektir, bu yüzden gerçek dünyada tamamen geri dönüşümlü bir sürece sahip olmak mümkün değildir.

Isıyı kısmen işe veya mekanik enerjiye dönüştüren herhangi bir cihaza ısıtma motoru. Bir ısı motoru bunu ısıyı bir yerden başka bir yere aktararak, yol boyunca bazı işler yaparak yapar.

Termodinamiği kullanarak, ısıl verim ve bu da çoğu başlangıç ​​fiziği dersinde ele alınan bir konudur. İşte fizik derslerinde sıklıkla analiz edilen bazı ısı motorları:

• İçten Yanmalı Motor - Otomobillerde kullanılanlar gibi yakıtla çalışan bir motor. "Otto çevrimi" normal bir benzinli motorun termodinamik işlemini tanımlar. "Dizel çevrimi", Dizel motorlarla ilgilidir.
• Buzdolabı - Tersine bir ısı motoru, buzdolabı soğuk bir yerden (buzdolabının içinde) ısınır ve sıcak bir yere (buzdolabının dışında) aktarır.
• Isı pompası - Bir ısı pompası, binaları dış havayı soğutarak ısıtmak için kullanılan bir buzdolabına benzer bir ısı motorudur.

1924'te Fransız mühendis Sadi Carnot, termodinamiğin ikinci yasası ile tutarlı olarak mümkün olan maksimum verimliliğe sahip, idealize edilmiş, varsayımsal bir motor yarattı. Verimliliği için aşağıdaki denkleme geldi, e_Carnot:

e_Carnot = ( T_'H - T_C) / T_'H

T_'H ve T_C Sırasıyla sıcak ve soğuk su depolarının sıcaklıklarıdır. Çok büyük bir sıcaklık farkı ile, yüksek bir verim elde edersiniz. Sıcaklık farkı düşükse düşük verimlilik gelir. Sadece 1 (% 100 verimlilik) verimlilik elde ederseniz T_C = 0 (yani. mutlak değer) imkansız.