Mi az a termodinamikai folyamat? Fizika GYIK

A rendszer termodinamikai folyamaton megy keresztül, amikor valamilyen energetikai változás történik a rendszerben, általában a nyomás, térfogat, belső energia, hőmérséklet vagy bármilyen más hőátadás.

A termodinamikai folyamatoknak különféle típusai vannak, amelyek elég gyakran fordulnak elő (és gyakorlati helyzetekben is), hogy ezeket általában a termodinamika vizsgálata során kezelik. Mindegyiknek van egy egyedi vonása, amely azonosítja azt, és amely hasznos a folyamathoz kapcsolódó energia- és munkaváltozások elemzésében.

• Adiabatikus folyamat - olyan folyamat, amelynek során hő nem kerül át a rendszerbe vagy a rendszerből.
• Isochoric folyamat - a hangerő változása nélküli folyamat, amely esetben a rendszer nem működik.
• Izobarikus folyamat - nyomásváltozás nélküli folyamat.
• Izotermikus folyamat - a hőmérséklet-változás nélküli folyamat.

Lehetséges, hogy egy folyamatban több folyamat is működjön. A legnyilvánvalóbb példa erre az eset, amikor a térfogat és a nyomás megváltozik, ami nem változtatja meg a hőmérsékletet vagy a hőátadást - egy ilyen eljárás adiabatikus és izotermikus is.

Matematikai szempontból: a termodinamika első törvénye írható így:

delta- U = Q - W vagy Q = delta- U + W
hol

• delta-U = a rendszer változása a belső energiaban
• Q = a rendszerbe vagy onnan kilépő hő.
• W = a rendszer által vagy a rendszeren végzett munka.

A fent leírt speciális termodinamikai folyamatok elemzésekor gyakran (bár nem mindig) nagyon szerencsés eredményt találunk - ezeknek a mennyiségeknek az egyikét nullára csökken!

Például egy adiabatikus folyamatban nincs hőátadás, tehát Q = 0, ami nagyon egyértelmű kapcsolatot eredményez a belső energia és a munka között: delta-Q = -W. Az egyedi tulajdonságokkal kapcsolatos részletesebb ismertetéshez lásd ezeknek a folyamatoknak az egyedi meghatározásait.

A legtöbb termodinamikai folyamat természetesen egyik irányból a másikba halad. Más szavakkal, előnyben részesített irányuk van.

A hő melegebb tárgyról hidegebbre áramlik. A gázok kitágulnak, hogy kitöltsék a helyiséget, de nem spontán összehúzódnak egy kisebb hely kitöltésekor. A mechanikus energiát teljes mértékben hőre konvertálhatjuk, de gyakorlatilag lehetetlen teljes hőt mechanikus energiává konvertálni.

Néhány rendszer azonban megfordítható folyamaton megy keresztül. Általában ez történik, amikor a rendszer mindig közel van a termikus egyensúlyhoz, mind a rendszer belsejében, mind bármilyen környezettel. Ebben az esetben a rendszer körülményeinek végtelen változásai a folyamat másik irányába vezethetnek. Mint ilyen, egy reverzibilis folyamatot is ismert egyensúlyi folyamat.

1. példa: Két fémek (A és B) termikus kapcsolatban vannak és termikus egyensúly. Az A fém végtelen mennyiségét hevítik oly módon, hogy a hő áramlik belőle a B fémbe. Ezt a folyamatot megfordíthatjuk úgy, hogy végtelen mennyiségű A hűtést végezzünk, és ezen a ponton a hő B-ből A-be kezd folyni, amíg ismét hőegyensúlyba nem kerülnek.

2. példa: A gáz lassan és adiabatikusan megnövekszik egy reverzibilis folyamat során. Ha a nyomást végtelenül minimális mennyiséggel növelik, ugyanaz a gáz lassan és adiabatikusan visszatérhet a kezdeti állapotba.

Meg kell jegyezni, hogy ezek kissé idealizált példák. Gyakorlati célokra egy olyan rendszer, amely a termikus egyensúlyban van, megszűnik a termikus egyensúlyban, miután ezen változások egyikét bevezették... így a folyamat valójában nem teljesen megfordítható. Ez egy idealizált modell arról, hogy egy ilyen helyzet hogyan alakulna ki, bár a kísérleti körülmények gondos ellenőrzésével elvégezhető egy olyan folyamat, amely rendkívül közel áll a teljes visszafordíthatósághoz.

A legtöbb folyamat természetesen visszafordíthatatlan folyamatok (vagy egyensúlyi folyamatok). A fékek súrlódása esetén az autóban végzett munka visszafordíthatatlan folyamat. A léggömbökből a levegőbe jutás a helyiségbe visszafordíthatatlan folyamat. Jégtömb elhelyezése egy forró cementpályán egy visszafordíthatatlan folyamat.

Összességében ezek a visszafordíthatatlan folyamatok a termodinamika második törvényének következményei, amelyeket gyakran a entrópia, vagy rendellenesség.

A termodinamika második törvényének megfogalmazására számos módszer létezik, de alapvetően korlátozza azt, hogy a hőátadás milyen hatékonnyá váljon. A termodinamika második törvénye szerint a folyamatban mindig vesznek el hő, ezért a valós világban nem lehetséges teljesen megfordítható folyamat.

Olyan eszközt hívunk, amely a hőt részben munka- vagy mechanikus energiává alakítja hőerőgép. A hőmotor ezt úgy hajtja végre, hogy hőt továbbít az egyik helyről a másikra, és ezzel megteszi a munkát.

A termodinamika segítségével meg lehet elemezni a hőhatás hőmotorról, és ez a téma a legtöbb bevezető fizika kurzuson. Íme néhány hőmotor, amelyeket a fizikai kurzusok során gyakran elemeznek:

• Belső kombinációs motor - Üzemanyag-meghajtású motor, mint például a gépjárművekben használt motor. Az "Otto-ciklus" meghatározza a szokásos benzinmotorok termodinamikai folyamatát. A "dízel ciklus" a dízelüzemű motorokra vonatkozik.
• Hűtőszekrény - Hőmotor hátra, a hűtőszekrény hideg helyről (a hűtőszekrény belsejében) veszi fel a hőt és meleg helyre továbbítja (a hűtőszekrényen kívül).
• Hő pumpa - A hőszivattyú egy típusú hőmotor, hasonlóan a hűtőszekrényhez, amelyet épületek fűtésére használnak a külső levegő hűtésével.

1924-ben Sadi Carnot francia mérnök idealizált, hipotetikus motort készített, amelynek maximális hatékonysága a termodinamika második törvényével összhangban volt. A következő egyenlettel érte el hatékonyságát: e_Carnot:

e_Carnot = ( T_H - T_C) / T_H

T_H és T_C a hideg és meleg tartályok hőmérséklete. Nagyon nagy hőmérsékleti különbséggel nagy hatékonyságot érhet el. Alacsony hatékonyság akkor jelentkezik, ha alacsony a hőmérsékleti különbség. Csak akkor kap hatékonyságot 1 (100% hatékonyság), ha T_C = 0 (azaz abszolút érték) ami lehetetlen.