Čo je to izotermický proces vo fyzike?

Fyzikálna veda študuje objekty a systémy na meranie ich pohybov, teplôt a ďalších fyzikálnych charakteristík. Môže byť aplikovaný na čokoľvek od jednobunkových organizmov, až po mechanické systémy, planéty, hviezdy a galaxie a procesy, ktoré ich riadia. Vo fyzike termodynamika je odvetvie, ktoré sa sústreďuje na zmeny energie (teplo) vo vlastnostiach systému počas akejkoľvek fyzikálnej alebo chemickej reakcie.

„Izotermický proces“ je termodynamický proces, v ktorom teplota systému zostáva konštantná. prenos tepla do alebo zo systému dochádza tak pomaly, že tepelná rovnováha je udržiavané. „Tepelný“ je termín, ktorý opisuje teplo systému. „Izo“ znamená „rovnaké“, tak „izotermálne“ znamená „rovnaké teplo“, čo je definícia tepelnej rovnováhy.

Všeobecne platí, že počas izotermického procesu dochádza k vnútornej zmene energie, tepelná energiaa práca, aj keď teplota zostáva rovnaká. Niečo v systéme pracuje na udržaní rovnakej teploty. Jedným jednoduchým ideálnym príkladom je Carnotov cyklus, ktorý v podstate popisuje fungovanie tepelného motora dodávaním tepla do plynu. V dôsledku toho sa plyn rozširuje vo valci a tlačí piest, aby vykonal určitú prácu. Teplo alebo plyn sa potom musí vytlačiť z valca (alebo vyhodiť), aby sa mohol uskutočniť ďalší cyklus ohrev / expanzia. To sa napríklad deje vo vnútri automobilu. Ak je tento cyklus úplne efektívny, proces je izotermický, pretože teplota sa udržiava konštantná pri zmene tlaku.

Aby ste porozumeli základom izotermického procesu, zvážte pôsobenie plynov v systéme. Vnútorná energia ideálny plyn závisí výlučne od teploty, takže zmena vnútornej energie počas izotermického procesu pre ideálny plyn je tiež 0. V takomto systéme všetko teplo pridané do systému (plynu) vykonáva prácu na udržaní izotermického procesu, pokiaľ tlak zostáva konštantný. V zásade, keď sa uvažuje o ideálnom plyne, práca na systéme na udržanie teploty znamená, že objem plynu sa musí so zvyšujúcim sa tlakom na systém znižovať.

Izotermické procesy sú početné a rôznorodé. Odparovanie vody do vzduchu je rovnako ako varenie vody v určitom bode varu. Existuje tiež veľa chemických reakcií, ktoré udržiavajú tepelnú rovnováhu, a v biológii sa interakcie bunky s okolitými bunkami (alebo inými látkami) považujú za izotermálny proces.

Odparovanie, topenie a varenie sú tiež „fázové zmeny“. To znamená, že ide o zmeny vody (alebo iných tekutín alebo plynov), ktoré sa uskutočňujú pri konštantnej teplote a tlaku.

Vo fyzike sa mapovanie takýchto reakcií a procesov uskutočňuje pomocou diagramov (grafov). V fázový diagram, izotermický proces je zmapovaný sledovaním vertikálnej čiary (alebo roviny) v 3D fázový diagram) pri konštantnej teplote. Tlak a objem sa môžu meniť, aby sa udržala teplota systému.

Pretože sa menia, je možné, aby látka zmenila svoje stav hmoty aj keď jeho teplota zostáva konštantná. Odparovanie vody pri jej varení znamená, že teplota zostáva rovnaká, ako systém mení tlak a objem. Toto je potom zmapované s temperujúcou zostávajúcou konštantou pozdĺž diagramu.

Keď vedci študujú izotermické procesy v systémoch, skutočne skúmajú teplo a energiu a spojenie medzi nimi a mechanickou energiou, ktorú potrebuje na zmenu alebo udržanie teploty a Systém. Takéto porozumenie pomáha biologom študovať, ako živé bytosti regulujú svoje teploty. Taktiež vstupuje do hry v strojárstve, vesmírnej vede, planétovej vede, geológii a mnohých ďalších vedných odboroch. Termodynamické energetické cykly (a teda izotermické procesy) sú základnou myšlienkou tepelných motorov. Ľudia používajú tieto zariadenia na napájanie elektrární a, ako je uvedené vyššie, automobilov, nákladných automobilov, lietadiel a iných vozidiel. Okrem toho takéto systémy existujú na raketách a kozmických lodiach. Inžinieri používajú princípy tepelného manažmentu (inými slovami, tepelného manažmentu) na zvýšenie efektívnosti týchto systémov a procesov.

Upravené a aktualizované používateľom Carolyn Collins Petersen.