Τύποι Διαδικασιών

Η μετάβαση από μια μακροστάση ισορροπίας σε μια άλλη ορίζεται ως θερμοδυναμική διαδικασία. Τα διακριτικά στοιχεία της διαδικασίας είναι η αρχική και η τελική κατάσταση. Ένα σύστημα ξεκινά από μια αρχική κατάσταση 1, που ορίζεται από μια πίεση P1, έναν όγκο V1 και μια θερμοκρασία T1. Προχωρά μέσω διαφόρων οιονεί στατικών σταδίων σε μια τελική κατάσταση 2, που αντιπροσωπεύεται από μια πίεση P2, έναν όγκο V2 και μια θερμοκρασία T2. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει τη μετακίνηση ενέργειας από ή προς το σύστημα και την εκτέλεση της εργασίας από ή πάνω στο σύστημα. Η αύξηση της πίεσης του αερίου με διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας είναι ένα παράδειγμα θερμοδυναμικής διαδικασίας.

Ας δούμε λεπτομερώς τους τύπους του υλικού μελέτης διεργασιών.

Τύποι διαδικασίας

• Αδιαβατική διαδικασία

Θερμοδυναμικά, μια αδιαβατική διαδικασία είναι αυτή κατά την οποία δεν μεταφέρεται θερμότητα μέσα ή έξω από το σύστημα (Q =0). Επειδή η ροή θερμότητας απαιτεί συγκεκριμένο χρόνο, μια διαδικασία που ολοκληρώνεται γρήγορα είναι αδιαβατική. Όταν εφαρμόζεται ο πρώτος νόμος σε μια αδιαβατική διαδικασία, παίρνουμε 

ΔU =U2−U1 =− Δ W

Για μια αδιαβατική διεργασία ιδανικού αερίου σε σταθερή πίεση και όγκο, PVy=σταθερά, όπου «y» είναι ο λόγος των ειδικών θερμοτήτων (συνήθης ή μοριακής).

‘y’=Cp/Cv

Ως αποτέλεσμα, εάν ένα ιδανικό αέριο αλλάξει κατάσταση αδιαβατικά από (P1, V1) σε (P2, V2):

P1V1y=P2V2y

Ως Q =0 για μια αδιαβατική διεργασία, παίρνουμε ΔU =-W από τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής (Q =ΔU + W). Ως αποτέλεσμα, εάν η εργασία που γίνεται είναι αρνητική, η εσωτερική ενέργεια θα αυξηθεί και το αντίστροφο.

• Ισοχωρική διαδικασία 

Ο όγκος του συστήματος παραμένει αμετάβλητος κατά τη διάρκεια μιας ισοχορικής διεργασίας, δηλαδή V =0. Το σύστημα δεν πραγματοποιεί κανένα έργο (αφού ΔV =0, PΔV ή W είναι επίσης μηδέν). Λόγω του πρώτου θερμοδυναμικού νόμου (Q =ΔU + W), η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας για μια ισοχωρική διεργασία ισούται με τη μεταφερόμενη θερμότητα (ΔU =Q). Επειδή η διεργασία είναι ισοχορική, dV =0 σημαίνει μηδενικό έργο πίεσης-όγκου. Η εσωτερική ενέργεια μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας το μοντέλο ιδανικού αερίου από:

∆U =mCv∆T

Όπου η ιδιότητα Cv (J/mol K) είναι γνωστή ως ειδική θερμότητα (ή θερμοχωρητικότητα) σε σταθερό όγκο, επειδή συσχετίζει τη μεταβολή της θερμοκρασίας ενός συστήματος με την ποσότητα ενέργειας που προστίθεται από τη μεταφορά θερμότητας υπό ορισμένες καθορισμένες συνθήκες (σταθερός όγκος) . Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής απαιτεί ΔU =ΔQ αφού δεν γίνεται καμία εργασία από ή πάνω στο σύστημα. Επομένως,

Q =mCv∆T

1. Ισοθερμική διαδικασία

Ισόθερμη διαδικασία είναι αυτή κατά την οποία η θερμοκρασία ενός συστήματος παραμένει σταθερή (T =const). Η μεταφορά θερμότητας μέσα ή έξω από το σύστημα γίνεται συνήθως με τόσο αργό ρυθμό που η θερμοκρασία του δοχείου ρυθμίζεται συνεχώς μέσω της ανταλλαγής θερμότητας. Η θερμική ισορροπία διατηρείται σε καθεμία από αυτές τις καταστάσεις.

Για ένα ιδανικό αέριο, η περίσταση «n =1» είναι τόσο για ισόθερμη (σταθερή θερμοκρασία) όσο και για πολυτροπική διεργασία.

Σε αντίθεση με την αδιαβατική διαδικασία, στην οποία n =κ, όπου «k» είναι οποιαδήποτε σταθερά για την εξίσωση (που γράφεται παρακάτω) και το σύστημα δεν ανταλλάσσει θερμότητα με το περιβάλλον του (Q =0, ΔT0), σε μια ισοθερμική διεργασία.

Δεν υπάρχει μεταβολή στην εσωτερική ενέργεια, λόγω ΔT=0. Άρα ΔU=0 (για ιδανικά αέρια) και Q ≠ 0 είναι αμφότερα αληθή.

Επομένως, W =nRT ln (VB/VA) είναι η ποσότητα της εργασίας που γίνεται σε μια ισοθερμική διεργασία.

Εάν το VB είναι μεγαλύτερο από το VA, η δουλειά που γίνεται θα είναι θετική. Διαφορετικά, θα είναι αρνητικό. Καθώς η εσωτερική ενέργεια εξαρτάται από τη θερμοκρασία, ΔU =0 επειδή η θερμοκρασία είναι σταθερή, και επομένως το Q =W προκύπτει χρησιμοποιώντας τον πρώτο θερμοδυναμικό νόμο (Q =ΔU + W).

• Ισοβαρική διαδικασία

Μια θερμοδυναμική διαδικασία κατά την οποία η πίεση του συστήματος παραμένει σταθερή 

(p =const) είναι γνωστή ως ισοβαρική διεργασία. Ο όγκος του συστήματος αλλάζει επειδή η πίεση (P) παραμένει σταθερή σε αυτή τη διαδικασία. Το W =P (Vfinal – Vinitial) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό του όγκου της εργασίας που έχει γίνει (W). Η εργασία που γίνεται είναι θετική εάν η ΔV είναι θετική (επέκταση). Η εργασία που γίνεται είναι αρνητική για αρνητική ΔV (συστολή).

Για ένα ιδανικό αέριο, η κατάσταση n =0 αντιστοιχεί σε ισοβαρικές (σταθερής πίεσης) και πολυτροπικές διεργασίες. Μια ισοβαρή διεργασία περιλαμβάνει μια αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια (λόγω ΔT≠0), και ως εκ τούτουΔU ≠ 0 (για ιδανικά αέρια) και Q ≠ 0. Όταν η εξωτερική πίεση, το Pext του περιβάλλοντος στο σύστημα είναι ίσο με P, το οποίο είναι η πίεση του συστήματος, γίνεται η μέγιστη εργασία. Εάν V είναι ο όγκος του συστήματος, το W12 είναι το μέγιστο έργο που εκτελείται καθώς το σύστημα μεταβαίνει από την κατάσταση 1 στην 2 κατά τη διάρκεια μιας ισοβαρικής θερμοδυναμικής διαδικασίας δίνεται από

W 12 = 1 2 P dV  =P 1 2 dV =P (V 2 -V 1 )

Συμπέρασμα

Ένα σύστημα ξεκινά από μια αρχική κατάσταση i η οποία ορίζεται από μια πίεση Pi, έναν όγκο Vi και μια θερμοκρασία Ti. Στη συνέχεια κινείται μέσω διαφόρων οιονεί στατικών καταστάσεων σε μια τελική κατάσταση f, η οποία ορίζεται από μια πίεση Pf, έναν όγκο Vf και μια θερμοκρασία Tf. Η αύξηση της πίεσης του αερίου με διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας είναι ένα παράδειγμα θερμοδυναμικής διαδικασίας. Η σημασία των θερμοδυναμικών διεργασιών φαίνεται στη μηχανική των θερμικών μηχανών.