Шта је термодинамички процес? Честа питања из физике

Систем се подвргава термодинамичком процесу када постоји нека врста енергетских промена унутар система, углавном повезана са променама притиска, запремине, унутрашња енергија, температуру или било коју врсту пренос топлоте.

Постоји неколико специфичних врста термодинамичких процеса који се дешавају довољно често (и у практичним ситуацијама) да се обично третирају у истраживању термодинамике. Сваки од њих има јединствену особину која га идентификује и која је корисна у анализи енергије и радних промена повезаних са процесом.

• Адиабатски процес - процес без преноса топлоте у систем или ван њега.
• Изохорни процес - процес без промене волумена, у којем случају систем не ради.
• Изобарски процес - процес без промене притиска.
• Изотермални процес - процес без промене температуре.

Могуће је имати више процеса унутар једног процеса. Најочитији пример би био случај када се промене запремине и притиска, што резултира не променом температуре или преноса топлоте - такав процес би био и адијабатски и изотермалан.

Математички гледано први закон термодинамике може се написати као:

делта- У = К - В или К = делта- У + В
где

• делта-У = промена система у унутрашњој енергији
• К = топлота која се преноси у систем или ван њега.
• В = посао обављен у систему или у њему.

Када анализирамо један од горе описаних посебних термодинамичких процеса, често (иако не увек) налазимо веома сретан исход - једна од ових количина смањује на нулу!

На пример, у адиабатском процесу нема преноса топлоте, па К = 0, што резултира врло директним односом између унутрашње енергије и рада: делта-К = -В. Погледајте појединачне дефиниције ових процеса за конкретније детаље о њиховим јединственим својствима.

Већина термодинамичких процеса природно се одвија из једног правца у други. Другим речима, они имају преферирани смер.

Топлина тече од топлијег објекта до хладнијег. Гасови се шире како би испунили просторију, али неће се спонтано уговорити да би напунили мањи простор. Механичка енергија може се потпуно претворити у топлину, али је готово немогуће потпуно претворити топлину у механичку.

Међутим, неки системи пролазе кроз реверзибилни процес. Генерално, то се дешава када је систем увек близу термичке равнотеже, како унутар самог система тако и било ког окружења. У овом случају, бесконачно мале промене услова система могу довести до тога да процес крене другим путем. Као такав, реверзибилни процес је такође познат као ан равнотежни процес.

Пример 1: Два метала (А&Б) су у термичком контакту и топлотна равнотежа. Метал А се загрева у бесконачној минималној количини, тако да топлота од њега тече до метала Б. Овај процес се може преокренути хлађењем А бесконачно мале количине, у којој ће тачка топлина почети да тече од Б до А све док се поново не нађу у топлотној равнотежи.

Пример 2: Плин се шири полако и адијабатно у реверзибилном процесу. Повећавањем притиска за бесконачно минималну количину, исти гас може да се полако и адијабатски компримира назад у почетно стање.

Треба напоменути да су ово помало идеализовани примери. У практичне сврхе, систем који је у топлотној равнотежи престаје да буде у топлотној равнотежи након што се уведе једна од ових промена... стога процес заправо није у потпуности реверзибилан. То је идеализовани модел како би се таква ситуација одвијала, мада се уз пажљиву контролу експерименталних услова може извести процес који је крајње близу реверзибилном стању.

Већина процеса је, наравно неповратни процеси (или неравнотежни процеси). Кориштење трења кочница делује на вашем аутомобилу неповратан је процес. Пуштање ваздуха из балона у собу је неповратан процес. Постављање леда на врући цементни ногоступ је неповратан процес.

Све у свему, ови неповратни процеси последица су другог закона термодинамике, који се често дефинише у смислу ентропијаили поремећај система.

Постоји неколико начина за дефинисање другог закона термодинамике, али он у основи поставља ограничење колико ефикасан може бити пренос топлоте. Према другом закону термодинамике, увек ће се изгубити нешто топлоте у процесу, због чега није могуће имати потпуно реверзибилан процес у стварном свету.

Сваки уређај који топлоту делимично претвара у радну или механичку енергију називамо а топлотни мотор. Топлотни мотор то ради тако што преноси топлину са једног места на друго, радећи неке послове на путу.

Помоћу термодинамике могуће је анализирати топлотна ефикасност топлотног мотора, а то је тема обрађена у већини уводних курсева физике. Ево неколико топлотних мотора који се често анализирају на курсевима физике:

• Мотор са унутрашњом комбиновањем - Мотор са погоном на гориво, какав се користи у аутомобилима. "Отто циклус" дефинише термодинамички процес обичног бензинског мотора. „Дизелски циклус“ односи се на моторе на дизел.
• Фрижидер - Топлотни мотор заузврат, хладњак узима топлину из хладног (унутар фрижидера) и преноси је на топло место (ван фрижидера).
• Топлотна пумпа - Топлотна пумпа је тип топлотног мотора, сличан хладњаку, који се користи за грејање зграда хлађењем спољног ваздуха.

Француски инжењер Сади Царнот створио је 1924. године идеализовани, хипотетички мотор који је имао највећу могућу ефикасност у складу са другим законом термодинамике. Дошао је до следеће једначине за своју ефикасност, е_Царнот:

е_Царнот = ( Т_Х - Т_Ц) / Т_Х

Т_Х и Т_Ц су температуре топлих и хладних резервоара, респективно. Са врло великом температурном разликом, добијате високу ефикасност. До ниске ефикасности долази ако је температурна разлика мала. Делотворност од 1 (100% ефикасност) добијате само ако Т_Ц = 0 (тј. апсолутна вредност) што је немогуће.