Какво е термодинамичен процес? Често задавани въпроси за физиката

Една система претърпява термодинамичен процес, когато има някаква енергийна промяна вътре в системата, обикновено свързана с промени в налягането, обема, вътрешна енергия, температура или какъвто и да е вид пренос на топлина.

Има няколко специфични типа термодинамични процеси, които се случват достатъчно често (и в практически ситуации), че те обикновено се лекуват при изследване на термодинамиката. Всеки има уникална черта, която го идентифицира и който е полезен при анализиране на енергийните и работните промени, свързани с процеса.

• Адиабатен процес - процес без топлопредаване в или извън системата.
• Изохорен процес - процес без промяна в обема, като в този случай системата не работи.
• Изобаричен процес - процес без промяна в налягането.
• Изотермичен процес - процес без промяна в температурата.

Възможно е да има множество процеси в рамките на един процес. Най-очевидният пример би бил случай, при който обемът и налягането се променят, което не води до промяна в температурата или топлопредаването - такъв процес би бил едновременно адиабатен и изотермичен.

В математически аспект, първи закон на термодинамиката може да се запише като:

делта- U = Q - W или Q = делта- U + W
където

• делта-U = промяна на системата във вътрешната енергия
• Q = топлина, прехвърлена в или извън системата.
• W = работа, извършена от или върху системата.

Когато анализираме един от описаните по-горе специални термодинамични процеси, често (макар и не винаги) намираме много щастлив резултат - едно от тези количества намалява до нула!

Например при адиабатен процес няма топлопредаване, така че Q = 0, което води до много пряка връзка между вътрешната енергия и работата: delta-Q = -W. Вижте индивидуалните дефиниции на тези процеси за по-конкретни подробности за техните уникални свойства.

Повечето термодинамични процеси протичат естествено от една в друга посока. С други думи, те имат предпочитана посока.

Топлината тече от по-горещ обект към по-студен. Газовете се разширяват, за да запълнят помещение, но няма да се свият спонтанно, за да запълнят по-малко пространство. Механичната енергия може да бъде преобразувана напълно в топлина, но практически е невъзможно да се преобразува напълно топлината в механична енергия.

Някои системи обаче преминават през обратим процес. По принцип това се случва, когато системата винаги е близо до топлинно равновесие, както вътре в самата система, така и във всяка среда. В този случай безкрайно малките промени в условията на системата могат да доведат до процеса по другия път. Като такъв, обратим процес е известен също като равновесен процес.

Пример 1: Два метала (A&B) са в термичен контакт и топлинно равновесие. Метал А се нагрява в безкрайно минимално количество, така че топлината тече от него към метал Б. Този процес може да бъде обърнат чрез охлаждане на A безкрайно малко количество, в който момент топлината ще започне да тече от B до A, докато отново не се намира в топлинно равновесие.

Пример 2: Един газ се разширява бавно и адиабатно при обратим процес. Увеличавайки налягането с безкрайно малко количество, същият газ може да се компресира бавно и адиабатично обратно в първоначалното състояние.

Трябва да се отбележи, че това са донякъде идеализирани примери. За практически цели система, която е в топлинно равновесие, престава да бъде в топлинно равновесие, след като се въведе една от тези промени... следователно процесът всъщност не е напълно обратим. Това е ан идеализиран модел за това как би се развила подобна ситуация, въпреки че при внимателен контрол на експерименталните условия може да се извърши процес, който е изключително близък до пълно обратимост.

Повечето процеси, разбира се, са необратими процеси (или неравновесни процеси). Използването на триенето на спирачките върши работа върху вашия автомобил е необратим процес. Пускането на въздух от балон в стаята е необратим процес. Поставянето на блок лед върху гореща циментова пътека е необратим процес.

Като цяло тези необратими процеси са следствие от втория закон на термодинамиката, който често се определя от гледна точка на ентропияили разстройство на системата.

Има няколко начина за формулиране на втория закон на термодинамиката, но в основата му се ограничава колко ефикасен може да бъде всеки пренос на топлина. Според втория закон на термодинамиката, в процеса винаги ще се губи известно количество топлина, поради което не е възможно да има напълно обратим процес в реалния свят.

Ние наричаме всяко устройство, което преобразува топлината отчасти в работа или механична енергия a топлинен двигател. Топлинният двигател прави това, като прехвърля топлина от едно място на друго, като върши някаква работа по пътя.

Използвайки термодинамиката, е възможно да се анализира топлинна ефективност на топлинен двигател и това е тема, обхваната в повечето въвеждащи курсове по физика. Ето някои топлинни двигатели, които често се анализират в курсовете по физика:

• Двигател с вътрешно горене - Двигател с гориво, като тези, използвани в автомобилите. "Цикълът на Ото" определя термодинамичния процес на обикновен бензинов двигател. „Дизеловият цикъл“ се отнася за двигатели с дизелов двигател.
• хладилник - Топлинен двигател на заден ход, хладилникът отвежда топлина от студено място (вътре в хладилника) и го пренася на топло място (извън хладилника).
• Топлинна помпа - Термопомпата е тип топлинен двигател, подобен на хладилник, който се използва за отопление на сградите чрез охлаждане на външния въздух.

През 1924 г. френският инженер Сади Карно създава идеализиран, хипотетичен двигател, който има максимална възможна ефективност, съответстваща на втория закон на термодинамиката. Той стигна до следното уравнение за неговата ефективност, д_Карно:

д_Карно = ( T_Н - T_{° С}) / T_Н

T_Н и T_{° С} са температурите на горещите и студените резервоари, съответно. С много голяма температурна разлика получавате висока ефективност. Ниска ефективност идва, ако температурната разлика е ниска. Можете да получите ефективност от 1 (100% ефективност), ако T_{° С} = 0 (т.е. абсолютна стойност) което е невъзможно.