Hva er en termodynamisk prosess? Vanlige spørsmål om fysikk

Et system gjennomgår en termodynamisk prosess når det skjer en slags energiforandring i systemet, generelt forbundet med endringer i trykk, volum, indre energi, temperatur eller noen form for varmeoverføring.

Det er flere spesifikke typer termodynamiske prosesser som skjer ofte nok (og i praktiske situasjoner) til at de ofte blir behandlet i studiet av termodynamikk. Hver har en unik egenskap som identifiserer den, og som er nyttig for å analysere energi- og arbeidsendringene relatert til prosessen.

• Adiabatisk prosess - en prosess uten varmeoverføring til eller ut av systemet.
• Isokorisk prosess - en prosess uten volumendring, i hvilket tilfelle systemet ikke fungerer.
• Isobarisk prosess - en prosess uten trykkendring.
• Isotermisk prosess - en prosess uten temperaturendring.

Det er mulig å ha flere prosesser i en enkelt prosess. Det mest åpenbare eksemplet vil være et tilfelle hvor volum og trykk endres, noe som ikke resulterer i noen endring i temperatur eller varmeoverføring - en slik prosess vil være både adiabatisk og isotermisk.

I matematiske termer, første lov om termodynamikk kan skrives som:

delta- U = Q - W eller Q = delta- U + W
hvor

• delta-U = systemets endring i indre energi
• Q = varme overført til eller ut av systemet.
• W = arbeid utført av eller på systemet.

Når vi analyserer en av de spesielle termodynamiske prosessene beskrevet ovenfor, finner vi ofte (men ikke alltid) et veldig heldig resultat - en av disse mengdene reduserer til null!

For eksempel, i en adiabatisk prosess er det ingen varmeoverføring, altså Q = 0, noe som resulterer i et veldig greit forhold mellom den indre energien og arbeidet: delta-Q = -W. Se de individuelle definisjonene av disse prosessene for mer spesifikke detaljer om deres unike egenskaper.

De fleste termodynamiske prosesser går naturlig fra en retning til en annen. De har med andre ord en foretrukket retning.

Varmen strømmer fra et varmere objekt til et kaldere. Gasser utvides for å fylle et rom, men vil ikke spontant trekke seg sammen for å fylle en mindre plass. Mekanisk energi kan konverteres fullstendig til varme, men det er praktisk talt umulig å konvertere varme til mekanisk energi.

Noen systemer går imidlertid gjennom en reversibel prosess. Generelt skjer dette når systemet alltid er i nærheten av termisk likevekt, både i selve systemet og i alle omgivelser. I dette tilfellet kan uendelige endringer i systemets forhold føre til at prosessen går den andre veien. Som sådan er en reversibel prosess også kjent som en likevektsprosess.

Eksempel 1: To metaller (A & B) er i termisk kontakt og termisk likevekt. Metall A blir oppvarmet en uendelig mengde, slik at varmen strømmer fra den til metall B. Denne prosessen kan reverseres ved å avkjøle A til en uendelig mengde, på hvilket tidspunkt varme vil begynne å strømme fra B til A til de igjen er i termisk likevekt.

Eksempel 2: En gass ekspanderes sakte og adiabatisk i en reversibel prosess. Ved å øke trykket med en uendelig mengde, kan den samme gassen komprimere sakte og adiabatisk tilbake til starttilstanden.

Det skal bemerkes at dette er noe idealiserte eksempler. For praktiske formål slutter et system som er i termisk likevekt å være i termisk likevekt når en av disse endringene er introdusert... prosessen er således ikke helt reversibel. Det er en idealisert modell om hvordan en slik situasjon ville skje, men med nøye kontroll av eksperimentelle forhold kan det utføres en prosess som er ekstremt nær å være fullstendig reversibel.

De fleste prosesser er selvfølgelig irreversible prosesser (eller ingen-quilibrium prosesser). Å bruke friksjonen til bremsene dine, gjør arbeidet med bilen din, er en irreversibel prosess. Å la luft fra en ballong slippe ut i rommet er en irreversibel prosess. Å plassere en isblokk på en varm sementgang er en irreversibel prosess.

Samlet sett er disse irreversible prosessene en konsekvens av den andre loven om termodynamikk, som ofte er definert i form av entropi, eller forstyrrelse, i et system.

Det er flere måter å frase termodynamikkens andre lov, men i utgangspunktet setter det en begrensning i hvor effektiv en eventuell varmeoverføring kan være. I henhold til termodynamikkens andre lov vil alltid noe varme gå tapt i prosessen, og det er derfor det ikke er mulig å ha en fullstendig reversibel prosess i den virkelige verden.

Vi kaller enhver enhet som transformerer varme delvis til arbeid eller mekanisk energi a varmemotor. En varmemotor gjør dette ved å overføre varme fra et sted til et annet og få gjort litt arbeid underveis.

Ved hjelp av termodynamikk er det mulig å analysere termisk effektivitet av en varmemotor, og det er et tema dekket i de fleste introduksjonsfysikk-kurs. Her er noen varmemotorer som ofte analyseres i fysikkurs:

• Intern-kombinasjonsmotor - En drivstoffdrevet motor som de som brukes i biler. "Otto-syklusen" definerer den termodynamiske prosessen til en vanlig bensinmotor. "Dieselsyklus" refererer til Dieseldrevne motorer.
• Kjøleskap - En varmemotor i revers, kjøleskapet tar varmen fra et kaldt sted (inne i kjøleskapet) og overfører det til et varmt sted (utenfor kjøleskapet).
• Varmepumpe - En varmepumpe er en type varmemotor, lik et kjøleskap, som brukes til å varme opp bygninger ved å kjøle uteluften.

I 1924 skapte den franske ingeniøren Sadi Carnot en idealisert, hypotetisk motor som hadde størst mulig effektivitet i samsvar med termodynamikkens andre lov. Han kom til følgende ligning for sin effektivitet, e_Carnot:

e_Carnot = ( T_H - T_C) / T_H

T_H og T_C er temperaturene i henholdsvis de varme og kalde reservoarene. Med en veldig stor temperaturforskjell får du en høy virkningsgrad. En lav virkningsgrad kommer hvis temperaturforskjellen er lav. Du får bare en effektivitet på 1 (100% effektivitet) hvis T_C = 0 (dvs. absolutt verdi) som er umulig.