Kaj je termodinamični proces? Pogosta vprašanja o fiziki

Sistem je podvržen termodinamičnemu procesu, kadar je znotraj sistema nekakšna energijska sprememba, ki je na splošno povezana s spremembami tlaka, volumna, notranja energija, temperature ali kakršne koli vrste prenos toplote.

Obstaja več posebnih vrst termodinamičnih procesov, ki se pojavljajo dovolj pogosto (in v praktičnih situacijah), da jih običajno obravnavamo v študiji termodinamike. Vsaka ima edinstveno lastnost, ki jo prepozna, in ki je uporabna pri analizi energije in delovnih sprememb, povezanih s postopkom.

• Adiabatni postopek - postopek brez prenosa toplote v sistem ali iz njega.
• Izohorični postopek - postopek brez spremembe obsega, v tem primeru sistem ne deluje.
• Izobarični postopek - postopek brez spremembe tlaka.
• Izotermalni postopek - postopek brez spremembe temperature.

V enem samem procesu je možno imeti več procesov. Najbolj očiten primer je primer, ko se spreminjata prostornina in tlak, kar ne povzroči spremembe temperature ali prenosa toplote - tak postopek bi bil hkrati adiabatski in izotermičen.

Matematično gledano je prvi zakon termodinamike lahko zapišemo kot:

delta- U = V - W ali V = delta- U + W
kje

• delta-U = sprememba sistema notranje energije
• V = toplota, ki se prenaša v sistem ali iz njega.
• W = delo, opravljeno v sistemu ali v njem.

Pri analizi enega od zgoraj opisanih posebnih termodinamičnih procesov pogosto (čeprav ne vedno) najdemo zelo posrečen rezultat - ena od teh količin zmanjša na nič!

Na primer, v adiabatskem postopku ni prenosa toplote, torej V = 0, kar ima za posledico zelo enostavno povezavo med notranjo energijo in delom: delta-V = -W. Za podrobnejše podrobnosti o njihovih edinstvenih lastnostih si oglejte posamezne definicije teh postopkov.

Večina termodinamičnih procesov poteka naravno iz ene smeri v drugo. Z drugimi besedami, imajo prednostno smer.

Toplota se pretaka iz bolj vročega predmeta v hladnejši. Plini se širijo, da zapolni prostor, vendar se ne bo spontano skrčil za zapolnitev manjšega prostora. Mehanske energije je mogoče popolnoma pretvoriti v toploto, vendar je praktično nemogoče popolnoma pretvoriti toploto v mehansko.

Vendar nekateri sistemi gredo skozi reverzibilni postopek. Na splošno se to zgodi, ko je sistem vedno blizu toplotnega ravnovesja, tako znotraj samega sistema kot s katero koli okolico. V tem primeru lahko neskončno majhne spremembe pogojev sistema vodijo v drugo smer. Tako je reverzibilen postopek znan tudi kot ravnotežni proces.

Primer 1: Dve kovini (A&B) sta v toplotnem stiku in toplotno ravnovesje. Kovina A segreva neskončno majhno količino, tako da toplota teče iz nje v kovino B. Ta proces lahko obrnemo s hlajenjem A neskončno majhno količino, v kateri točki začne toplota teči od B do A, dokler se spet ne nahajajo v toplotnem ravnovesju.

Primer 2: Plin se v reverzibilnem procesu počasi in adiabatno širi. S povečanjem tlaka za neskončno majhno količino lahko isti plin počasi in adiabatno stisne nazaj v začetno stanje.

Treba je opozoriti, da gre za nekoliko idealizirane primere. Za praktične namene sistem, ki je v toplotnem ravnovesju, preneha biti v toplotnem ravnovesju, ko se uvede ena od teh sprememb... zato postopek dejansko ni popolnoma reverzibilen. Je idealiziran model kako bi prišlo do takšnih razmer, čeprav je s skrbnim nadzorom eksperimentalnih pogojev mogoče izvesti postopek, ki je zelo blizu, da je popolnoma reverzibilen.

Seveda je večina procesov nepovratni procesi (ali neenakomerni procesi). Uporaba trenja zavor deluje na vašem avtomobilu nepovratno. Spuščanje zraka iz balona v sobo je nepopravljiv postopek. Polaganje bloka ledu na vročo cementno pot je nepopravljiv postopek.

Na splošno so ti nepovratni procesi posledica drugega zakona termodinamike, ki je pogosto opredeljen v smislu entropijaali motnje sistema.

Drugi način termodinamike je mogoče oblikovati na več načinov, vendar v bistvu postavlja omejitev, kako učinkovit je lahko vsak prenos toplote. Po drugem zakonu termodinamike se bo v procesu vedno izgubila nekaj toplote, zato v resničnem svetu ni možno imeti popolnoma reverzibilnega procesa.

Vsako napravo, ki toploto deloma pretvori v delovno ali mehansko energijo, imenujemo a toplotni motor. Toplotni motor to stori tako, da toploto prenaša iz enega kraja v drugega in opravi nekaj dela na poti.

S termodinamiko je mogoče analizirati toplotni izkoristek toplotnega motorja in to je tema, ki je zajeta v večini uvodnih tečajev fizike. Tu je nekaj toplotnih motorjev, ki jih pogosto analiziramo na tečajih fizike:

• Motor z notranjo zgorevanjem - motor na gorivo, kot so tisti, ki se uporabljajo v avtomobilih. "Cikel Otto" določa termodinamični postopek običajnega bencinskega motorja. "Dizelski cikel" se nanaša na dizelske motorje.
• Hladilnik - Toplotni motor vzvratno, hladilnik odvzame toploto iz hladnega prostora (znotraj hladilnika) in ga prenese na toplo mesto (zunaj hladilnika).
• Toplotna črpalka - Toplotna črpalka je vrsta toplotnega motorja, podobna hladilniku, ki se uporablja za ogrevanje stavb s hlajenjem zunanjega zraka.

Leta 1924 je francoski inženir Sadi Carnot ustvaril idealiziran, hipotetičen motor, ki je imel največjo možno učinkovitost v skladu z drugim zakonom termodinamike. Za svojo učinkovitost je dosegel naslednjo enačbo, e_Carnot:

e_Carnot = ( T_H - T_C) / T_H

T_H in T_C so temperature vročih in hladnih rezervoarjev. Z zelo veliko temperaturno razliko dobite visok izkoristek. Če je temperaturna razlika majhna, pride do nizkega izkoristka. Učinkovitost 1 (100% izkoristek) dobite le, če T_C = 0 (tj. absolutna vrednost) kar je nemogoče.