Vad är en termodynamisk process? Fysik FAQ

Ett system genomgår en termodynamisk process när det sker någon form av energiförändring i systemet, i allmänhet förknippat med förändringar i tryck, volym, inre energi, temperatur eller någon annan typ av värmeöverföring.

Det finns flera specifika typer av termodynamiska processer som sker tillräckligt ofta (och i praktiska situationer) för att de vanligtvis behandlas i studiet av termodynamik. Var och en har en unik egenskap som identifierar den och som är användbar för att analysera energi- och arbetsförändringar relaterade till processen.

• Adiabatisk process - en process utan värmeöverföring till eller från systemet.
• Isokorisk process - en process utan volymförändring, i vilket fall systemet inte fungerar.
• Isobarisk process - en process utan tryckförändring.
• Isotermisk process - en process utan temperaturförändring.

Det är möjligt att ha flera processer inom en enda process. Det mest uppenbara exemplet skulle vara ett fall där volym och tryck förändras, vilket inte resulterar i någon förändring i temperatur eller värmeöverföring - en sådan process skulle vara både adiabatisk och isotermisk.

I matematiska termer, termodynamikens första lag kan skrivas som:

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

• delta-U = systemets förändring av intern energi
• Q = värme som överförs till eller från systemet.
• W = arbete utfört av eller på systemet.

När vi analyserar en av de speciella termodynamiska processerna som beskrivs ovan finner vi ofta (men inte alltid) ett mycket lyckligt resultat - en av dessa mängder minskar till noll!

Till exempel, i en adiabatisk process finns det ingen värmeöverföring, så Q = 0, vilket resulterar i en mycket enkel relation mellan den inre energin och arbetet: delta-Q = -W. Se de enskilda definitionerna av dessa processer för mer specifika detaljer om deras unika egenskaper.

De flesta termodynamiska processer går naturligt från en riktning till en annan. Med andra ord har de en föredragen riktning.

Värmen flödar från ett hetare objekt till ett kallare. Gaser expanderar för att fylla ett rum, men kommer inte spontant att dras in för att fylla ett mindre utrymme. Mekanisk energi kan omvandlas helt till värme, men det är praktiskt taget omöjligt att omvandla värme till mekanisk energi.

Vissa system går dock igenom en reversibel process. I allmänhet händer detta när systemet alltid är nära termisk jämvikt, både i själva systemet och i alla omgivningar. I detta fall kan infinitesimala förändringar i systemets villkor orsaka att processen går åt andra hållet. Som sådan är en reversibel process också känd som en jämviktsprocess.

Exempel 1: Två metaller (A & B) är i termisk kontakt och termisk jämvikt. Metall A värms upp en oändlig mängd, så att värme rinner från den till metall B. Denna process kan vändas genom att kyla A till en oändlig mängd, vid vilken tidpunkt värme börjar strömma från B till A tills de återigen är i termisk jämvikt.

Exempel 2: En gas expanderas långsamt och adiabatiskt i en reversibel process. Genom att öka trycket med en oändlig mängd kan samma gas komprimera långsamt och adiabatiskt tillbaka till det initiala tillståndet.

Det bör noteras att dessa är något idealiserade exempel. För praktiska ändamål upphör ett system som är i termisk jämvikt att vara i termisk jämvikt när en av dessa förändringar införts... processen är således faktiskt inte helt reversibel. Det är en idealiserad modell av hur en sådan situation skulle äga rum, men med noggrann kontroll av experimentella förhållanden kan en process genomföras som är extremt nära att vara fullt reversibel.

De flesta processer är naturligtvis irreversibla processer (eller processer för icke-quilibrium). Att använda friktionen på dina bromsar fungerar på din bil är en irreversibel process. Att låta luft från en ballong släppa ut i rummet är en irreversibel process. Att placera ett isblock på en varm cementbana är en irreversibel process.

Sammantaget är dessa irreversibla processer en följd av den andra lagen för termodynamik, som ofta definieras i termer av entropieller störning i ett system.

Det finns flera sätt att uttrycka den andra lagen för termodynamik, men i princip sätter det en begränsning av hur effektiv varje värmeöverföring kan vara. Enligt termodynamikens andra lag kommer viss värme alltid att gå förlorad i processen, varför det inte är möjligt att ha en helt reversibel process i den verkliga världen.

Vi kallar alla enheter som omvandlar värme delvis till arbete eller mekanisk energi a värme motor. En värmemotor gör detta genom att överföra värme från en plats till en annan och få lite arbete på vägen.

Med termodynamik är det möjligt att analysera termisk effektivitet av en värmemotor, och det är ett ämne som behandlas i de flesta introduktionsfysikkurser. Här är några värmemotorer som ofta analyseras i fysikkurser:

• Intern-kombinationsmotor - En bränsledriven motor som de som används i bilar. "Otto-cykeln" definierar den termodynamiska processen för en vanlig bensinmotor. "Dieselcykeln" avser dieseldrivna motorer.
• Kylskåp - En värmemotor bakåt, kylskåpet tar värme från en kall plats (inuti kylen) och överför den till en varm plats (utanför kylen).
• Värmepump - En värmepump är en typ av värmemotor, liknar ett kylskåp, som används för att värma byggnader genom att kyla uteluften.

1924 skapade den franska ingenjören Sadi Carnot en idealiserad, hypotetisk motor som hade den maximala möjliga effektiviteten i överensstämmelse med termodynamikens andra lag. Han kom till följande ekvation för sin effektivitet, e_Carnot:

e_Carnot = ( T_H - T_C) / T_H

T_H och T_C är temperaturen i respektive heta och kalla reservoarer. Med en mycket stor temperaturskillnad får du en hög effektivitet. En låg effektivitet kommer om temperaturskillnaden är låg. Du får bara en effektivitet på 1 (100% effektivitet) om T_C = 0 (dvs absolutvärde) vilket är omöjligt.