Quá Trình đẳng Nhiệt Là Gì? (Ví Dụ, Bài Tập) - Warbletoncouncil

NộI Dung

•  Ví dụ về quá trình đẳng nhiệt
• Chu trình Carnot
• Tính công thực hiện trong quá trình đẳng nhiệt
• - Bài tập 1
• Giải pháp
• - Bài tập 2
• Giải pháp
• Người giới thiệu

Các quá trình đẳng nhiệt hay đẳng nhiệt là một quá trình nhiệt động thuận nghịch, trong đó nhiệt độ không đổi. Trong một chất khí, có những tình huống mà sự thay đổi trong hệ không tạo ra sự thay đổi về nhiệt độ, nhưng tạo ra các đặc tính vật lý.

Những thay đổi này là sự thay đổi pha, khi chất chuyển từ rắn sang lỏng, từ lỏng sang khí hoặc ngược lại. Trong những trường hợp như vậy, các phân tử của chất điều chỉnh lại vị trí của chúng, bổ sung hoặc chiết xuất nhiệt năng.

Nhiệt năng cần thiết để xảy ra sự thay đổi pha trong một chất được gọi là nhiệt tiềm ẩn hay nhiệt biến đổi.

Một cách để tạo ra quá trình đẳng nhiệt là đặt chất sẽ là hệ đang nghiên cứu tiếp xúc với một bình chứa nhiệt bên ngoài, là một hệ khác có nhiệt dung lớn. Bằng cách này, sự trao đổi nhiệt chậm như vậy xảy ra mà nhiệt độ không đổi.

Loại quá trình này xảy ra thường xuyên trong tự nhiên. Ví dụ, ở con người khi nhiệt độ cơ thể tăng hoặc giảm chúng ta cảm thấy ốm, bởi vì trong cơ thể chúng ta có nhiều phản ứng hóa học duy trì sự sống diễn ra ở một nhiệt độ không đổi. Điều này đúng với động vật máu nóng nói chung.

Các ví dụ khác là nước đá tan ra vì nhiệt khi mùa xuân đến và những viên đá lạnh làm mát đồ uống.

 Ví dụ về quá trình đẳng nhiệt

-Sự trao đổi chất của động vật máu nóng được thực hiện ở nhiệt độ không đổi.

-Khi nước sôi, sự thay đổi pha xảy ra, từ lỏng sang khí và nhiệt độ không đổi ở khoảng 100ºC, vì các yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến giá trị.

-Làm nóng đá là một quá trình đẳng nhiệt phổ biến khác, giống như việc cho nước vào tủ đông để làm đá viên.

-Động cơ đầu máy, tủ lạnh cũng như nhiều loại máy móc khác hoạt động chính xác trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Để duy trì nhiệt độ thích hợp, các thiết bị được gọi là bộ điều nhiệt. Các nguyên tắc hoạt động khác nhau được sử dụng trong thiết kế của nó.

Chu trình Carnot

Động cơ Carnot là một cỗ máy lý tưởng mà từ đó công việc có được nhờ các quá trình hoàn toàn thuận nghịch. Nó là một cỗ máy lý tưởng vì nó không xem xét các quá trình tiêu hao năng lượng, chẳng hạn như độ nhớt của chất thực hiện công việc, cũng như ma sát.

Chu trình Carnot bao gồm bốn giai đoạn, hai trong số đó là đẳng nhiệt chính xác và hai giai đoạn còn lại là đoạn nhiệt. Các giai đoạn đẳng nhiệt là sự nén và giãn nở của một chất khí có nhiệm vụ tạo ra công hữu ích.

Động cơ ô tô hoạt động trên nguyên tắc tương tự. Chuyển động của pít-tông bên trong xi-lanh được truyền đến các bộ phận khác của ô tô và tạo ra chuyển động. Nó không có hoạt động của một hệ thống lý tưởng như động cơ Carnot, nhưng các nguyên tắc nhiệt động lực học là phổ biến.

Tính công thực hiện trong quá trình đẳng nhiệt

Để tính công được thực hiện bởi một hệ thống khi nhiệt độ không đổi, chúng ta phải sử dụng định luật đầu tiên của nhiệt động lực học, trong đó phát biểu:

ΔU = Q - W

Đây là một cách khác để thể hiện sự bảo toàn năng lượng trong hệ thống, được trình bày qua ΔU hoặc thay đổi năng lượng, Q như nhiệt được cung cấp và cuối cùng W, đó là công việc được thực hiện bởi hệ thống nói trên.

Giả sử rằng hệ thống được đề cập là một khí lý tưởng chứa trong xi lanh của một pít tông chuyển động có diện tích ĐẾN, hoạt động khi âm lượng của nó V thay đổi V1 đến V2.

Phương trình trạng thái khí lý tưởng là PV = nRT, liên quan đến thể tích với áp suất P và nhiệt độ T. Giá trị của n và R không đổi: n là số mol khí và R là hằng số của các khí. Trong trường hợp của một quá trình đẳng nhiệt, sản phẩm PV nó không đổi.

Vâng, công việc thực hiện được tính bằng cách tích phân một công việc vi phân nhỏ, trong đó một lực F tạo ra một phần bù dx nhỏ:

dW = Fdx = PAdx

Làm sao Adx chính xác là biến thể âm lượng dV, vì thế:

dW = PdV

Để có được tổng công trong một quá trình đẳng nhiệt, chúng tôi tích hợp biểu thức cho dW:

Áp lực P và âm lượng V được vẽ trong một sơ đồ P-V như trong hình vẽ và phần công việc thực hiện bằng diện tích dưới đường cong:

Làm sao ΔU = 0 vì nhiệt độ không đổi nên trong quá trình đẳng nhiệt người ta phải:

Q = W

- Bài tập 1

Một xi lanh có gắn một pít tông chuyển động chứa một lượng khí lý tưởng ở 127ºC. Nếu pittong chuyển động giảm thể tích ban đầu 10 lần, giữ nhiệt độ không đổi, tìm số mol khí có trong xilanh, nếu công thực hiện công trên khí là 38,180 J.

Thực tế: R = 8,3 J / mol. K

Giải pháp

Tuyên bố nói rằng nhiệt độ không đổi, do đó chúng ta đang tồn tại một quá trình đẳng nhiệt. Đối với công thực hiện trên chất khí, chúng ta có phương trình suy ra trước đó:

127 º C = 127 + 273 K = 400 K

Giải cho n, số mol:

n = W / RT ln (V2 / V1) = -38 180 J / 8,3 J / mol. K x 400 K x ln (V2/ 10V2) = 5 mol

Công việc được đặt trước bởi một dấu hiệu tiêu cực. Người đọc chú ý sẽ nhận thấy trong phần trước rằng W được định nghĩa là “công việc được thực hiện bởi hệ thống” và có dấu +. Vì vậy “công việc được thực hiện trên hệ thống” có dấu hiệu tiêu cực.

- Bài tập 2

Bạn có không khí trong một xi lanh được gắn với một pít tông. Ban đầu có 0,4 m3 của chất khí dưới áp suất 100 kPa và nhiệt độ 80ºC. Không khí được nén đến 0,1 m3 đảm bảo nhiệt độ bên trong xi lanh không đổi trong suốt quá trình.

Xác định bao nhiêu công việc được thực hiện trong quá trình này.

Giải pháp

Chúng tôi sử dụng phương trình cho công được suy ra trước đó, nhưng số mol chưa biết, có thể được tính bằng phương trình khí lý tưởng:

80 º C = 80 + 273 K = 353 K.

P1V1 = n.R.T → n = P1V1 / RT = 100000 Pa x 0,4 m3 / 8,3 J / mol. K x 353 K = 13,65 mol

W = n.R.T ln (V2/ V1) = 13,65 mol x 8,3 J / mol. K x 353 K x ln (0,1 /0,4) = -55.442,26 J

Một lần nữa, dấu âm chỉ ra rằng công việc đã được thực hiện trên hệ thống, điều này luôn xảy ra khi khí được nén.

Người giới thiệu

1. Bauer, W. 2011. Vật lý cho Kỹ thuật và Khoa học. Tập 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Nhiệt động lực học. 7ma Phiên bản. Đồi McGraw.
3. Figueroa, D. (2005). Loạt bài: Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 4. Chất lỏng và Nhiệt động học. Biên tập bởi Douglas Figueroa (USB).
4. Knight, R. 2017. Vật lý cho các nhà khoa học và kỹ thuật: Phương pháp tiếp cận chiến lược.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Cơ bản về Vật lý. 9na Học tập Cengage.
6. Wikipedia. Quá trình đẳng nhiệt. Được khôi phục từ: en.wikipedia.org.