Какво е изотермичен процес във физиката?

Физическата наука изучава обекти и системи за измерване на техните движения, температури и други физически характеристики. Може да се прилага за всичко - от едноклетъчни организми до механични системи до планети, звезди и галактики и процесите, които ги управляват. В рамките на физиката, термодинамиката е клон, който се концентрира върху промените на енергия (топлина) в свойствата на системата по време на всяка физическа или химическа реакция.

„Изотермичният процес“, който е термодинамичен процес, при който температурата на една система остава постоянна. Най- пренос на топлина във или извън системата се случва толкова бавно, че топлинно равновесие се поддържа. "Термично" е термин, който описва топлината на една система. "Изо" означава "равен", така че "изотермичен" означава "равна топлина", което е това, което определя топлинното равновесие.

По принцип по време на изотермичен процес има промяна във вътрешния енергия, топлинна енергия, и работа, въпреки че температурата остава същата. Нещо в системата работи, за да поддържа тази равна температура. Един прост идеален пример е цикълът Carnot, който основно описва как работи топлинният двигател, като доставя топлина на газ. В резултат на това газът се разширява в цилиндър и това бута буталото, за да свърши някаква работа. Топлината или газът трябва да бъдат изтласкани от цилиндъра (или изхвърлени), за да може да се извърши следващият цикъл на топлина / разширяване. Това се случва например в двигателя на автомобила. Ако този цикъл е напълно ефективен, процесът е изотермичен, тъй като температурата се поддържа постоянна, докато налягането се променя.

За да разберете основите на изотермичния процес, помислете за действието на газовете в система. Вътрешната енергия на идеален газ зависи единствено от температурата, така че промяната на вътрешната енергия по време на изотермичен процес за идеален газ също е 0. В такава система цялата топлина, добавена в система (от газ), изпълнява работа за поддържане на изотермичния процес, стига налягането да остане постоянно. По същество, когато се обмисля идеален газ, работата, извършена в системата за поддържане на температурата, означава, че обемът на газа трябва да намалее с нарастването на налягането върху системата.

Изотермичните процеси са много и разнообразни. Изпаряването на водата във въздуха е едно, както и кипенето на водата в определена точка на кипене. Има и много химични реакции, които поддържат топлинно равновесие, а в биологията взаимодействията на клетка със заобикалящите я клетки (или друга материя) се считат за изотермичен процес.

Изпаряването, топенето и кипенето също са "фазови промени". Тоест, те са промени във водата (или други течности или газове), които се извършват при постоянна температура и налягане.

Във физиката графиката на такива реакции и процеси се извършва с помощта на диаграми (графики). В фазова диаграма, изотермичен процес се очертава, като следва вертикална линия (или равнина, в 3D) фазова диаграма) по постоянна температура. Налягането и обемът могат да се променят, за да се поддържа температурата на системата.

Докато те се променят, е възможно вещество да промени своето състояние на материята дори докато температурата му остава постоянна. По този начин изпаряването на водата при кипене означава, че температурата остава същата като системата променя налягането и обема. След това се очертава с постоянната постоянна постоянна температура по диаграмата.

Когато учените изучават изотермичните процеси в системите, те наистина изследват топлината и енергията връзка между тях и механичната енергия, необходима за промяна или поддържане на температурата на a система. Подобно разбиране помага на биолозите да изучават как живите същества регулират температурата си. Той също играе в инженеринга, космическата наука, планетарната наука, геологията и много други отрасли на науката. Термодинамичните цикли на мощност (и по този начин изотермични процеси) са основната идея зад топлинните двигатели. Хората използват тези устройства за захранване на електрогенериращи инсталации и, както бе споменато по-горе, автомобили, камиони, самолети и други превозни средства. В допълнение, такива системи съществуват на ракети и космически кораби. Инженерите прилагат принципи на термично управление (с други думи управление на температурата), за да повишат ефективността на тези системи и процеси.

Редактиран и актуализиран от Каролин Колинс Петерсен.