Čo je termodynamický proces? Fyzika FAQ

Systém prechádza termodynamickým procesom, keď v systéme existuje nejaká energetická zmena, ktorá je zvyčajne spojená so zmenami tlaku, objemu, vnútorná energia, teplota alebo akýkoľvek iný druh prenos tepla.

Existuje niekoľko špecifických typov termodynamických procesov, ktoré sa vyskytujú dosť často (av praktických situáciách), ktoré sa bežne používajú pri štúdiu termodynamiky. Každá z nich má jedinečnú vlastnosť, ktorá ju identifikuje a ktorá je užitočná pri analýze energetických a pracovných zmien súvisiacich s procesom.

• Adiabatický proces - proces bez prenosu tepla do alebo zo systému.
• Izokinetický proces - proces bez zmeny objemu, v takom prípade systém nefunguje.
• Izobarický proces - proces bez zmeny tlaku.
• Izotermický proces - proces bez zmeny teploty.

V rámci jedného procesu je možné mať viac procesov. Najzreteľnejším príkladom by bol prípad, keď by sa zmenil objem a tlak, čo by nemalo za následok zmenu teploty alebo prenosu tepla - taký proces by bol adiabatický aj izotermický.

Z matematického hľadiska prvý zákon termodynamiky možno písať ako:

delta U = Q - W alebo Q = delta- U + W
kde

• deltaU = zmena vnútornej energie systému
• Q = teplo prenášané do alebo zo systému.
• W = práca vykonaná systémom alebo v systéme.

Pri analýze jedného z vyššie uvedených špeciálnych termodynamických procesov často (aj keď nie vždy) nachádzame veľmi šťastný výsledok - jedna z týchto veličín znižuje na nulu!

Napríklad v adiabatickom procese nedochádza k prenosu tepla Q = 0, čo vedie k veľmi priamemu vzťahu medzi vnútornou energiou a prácou: delta-Q = -W. Podrobnejšie informácie o ich jedinečných vlastnostiach nájdete v jednotlivých definíciách týchto procesov.

Väčšina termodynamických procesov prebieha prirodzene z jedného smeru do druhého. Inými slovami, majú uprednostňovaný smer.

Teplo prúdi z horúceho objektu do chladnejšieho objektu. Plyny sa rozširujú, aby vyplnili miestnosť, ale samovoľne sa nezmestia, aby vyplnili menší priestor. Mechanická energia sa môže úplne premieňať na teplo, ale je prakticky nemožné premieňať teplo na mechanickú energiu.

Niektoré systémy však prechádzajú reverzibilným procesom. Všeobecne sa to stáva, keď je systém vždy v blízkosti tepelnej rovnováhy, a to ako vo vnútri samotného systému, tak aj v akomkoľvek okolí. V tomto prípade môžu nekonečné zmeny podmienok systému spôsobiť, že proces prebehne opačným smerom. Ako taký je reverzibilný proces známy aj ako rovnovážny proces.

Príklad 1: Dva kovy (A a B) sú v tepelnom styku a tepelná rovnováha. Kov A je zahrievaný v nekonečnom množstve, takže z neho prúdi teplo do kovu B. Tento proces je možné zvrátiť ochladením A na nekonečné množstvo, v tomto bode začne teplo prúdiť z B do A, až kým nebudú opäť v tepelnej rovnováhe.

Príklad 2: Plyn sa pomaly a adiabaticky expanduje reverzibilným spôsobom. Zvýšením tlaku o nekonečné množstvo sa ten istý plyn môže pomaly a adiabaticky stlačiť späť do pôvodného stavu.

Je potrebné poznamenať, že ide o trochu idealizované príklady. Z praktických dôvodov prestane byť systém, ktorý je v tepelnej rovnováhe, v tepelnej rovnováhe, keď bude zavedená jedna z týchto zmien... proces teda nie je celkom reverzibilný. Je to idealizovaný model o tom, ako by sa takáto situácia mohla vyskytnúť, hoci s dôkladnou kontrolou experimentálnych podmienok sa môže uskutočniť proces, ktorý je veľmi blízko, aby bol úplne reverzibilný.

Väčšina procesov, samozrejme, je nezvratné procesy (alebo nerovnovážne procesy). Použitie trenia vašich bŕzd robí prácu na vašom aute nezvratným procesom. Nechať vzduch z vypustenia balóna do miestnosti je nezvratný proces. Umiestnenie bloku ľadu na chodník s horúcim cementom je nezvratný proces.

Celkovo sú tieto ireverzibilné procesy dôsledkom druhého zákona o termodynamike, ktorý je často definovaný pomocou entropiaalebo porucha systému.

Existuje niekoľko spôsobov, ako vyjadriť druhý termodynamický zákon, ale v zásade to obmedzuje účinnosť každého prenosu tepla. Podľa druhého termodynamického zákona sa v tomto procese vždy stratí určité teplo, a preto v skutočnom svete nie je možné dosiahnuť úplne reverzibilný proces.

Nazývame akékoľvek zariadenie, ktoré čiastočne premieňa teplo na pracovnú alebo mechanickú energiu a tepelný motor. Tepelný motor to robí tak, že odovzdáva teplo z jedného miesta na druhé, čím sa v priebehu času vykonáva určitá práca.

Pomocou termodynamiky je možné analyzovať tepelná účinnosť tepelného motora a to je téma, na ktorú sa vzťahuje väčšina úvodných kurzov fyziky. Tu je niekoľko tepelných motorov, ktoré sa často analyzujú vo fyzických kurzoch:

• Spaľovací motor - Motor poháňaný palivom, aký sa používa v automobiloch. „Ottov cyklus“ definuje termodynamický proces bežného benzínového motora. Pojem „dieselový cyklus“ sa vzťahuje na naftové motory.
• chladnička - Tepelný motor na druhej strane, chladnička prijíma teplo z chladného miesta (vo vnútri chladničky) a prenáša ho na teplé miesto (mimo chladničky).
• Tepelné čerpadlo - Tepelné čerpadlo je typ tepelného motora podobný chladničke, ktorý sa používa na vykurovanie budov chladením vonkajšieho vzduchu.

V roku 1924 francúzsky inžinier Sadi Carnot vytvoril idealizovaný, hypotetický motor, ktorý mal maximálnu možnú účinnosť v súlade s druhým termodynamickým zákonom. Pre svoju efektívnosť prišiel k nasledujúcej rovnici, e_Carnot:

e_Carnot = ( T_H - T_C) / T_H

T_H a T_C sú teploty horúcich a studených nádrží. S veľmi veľkým teplotným rozdielom získate vysokú účinnosť. Nízka účinnosť nastane, ak je rozdiel teplôt nízky. Účinnosť 1 získate iba (účinnosť 100%), ak T_C = 0 (t. J. absolútna hodnota), čo je nemožné.