Vad är en isotermisk process i fysik?

Fysikvetenskapen studerar objekt och system för att mäta deras rörelser, temperaturer och andra fysiska egenskaper. Det kan appliceras på allt från encelliga organismer till mekaniska system till planeter, stjärnor och galaxer och de processer som styr dem. Inom fysik, termodynamik är en gren som koncentrerar sig på förändringar av energi (värme) i egenskaperna hos ett system under fysisk eller kemisk reaktion.

Den "isotermiska processen", som är en termodynamisk process där temperaturen i ett system förblir konstant. De överföring av värme in eller ut ur systemet händer så långsamt att termisk jämvikt blir underhållen. "Termisk" är en term som beskriver värmen i ett system. "Iso" betyder "lika", så "isotermisk" betyder "lika värme", vilket är vad som definierar termisk jämvikt.

I allmänhet sker en förändring av den inre under en isotermisk process energi, värmeenergi, och arbeteäven om temperaturen förblir densamma. Något i systemet fungerar för att upprätthålla samma temperatur. Ett enkelt idealiskt exempel är Carnot Cycle, som i princip beskriver hur en värmemotor fungerar genom att tillföra värme till en gas. Som ett resultat expanderar gasen i en cylinder, och det pressar en kolv för att göra lite arbete. Värmen eller gasen måste sedan skjutas ut ur cylindern (eller dumpas) så att nästa värme / expansionscykel kan äga rum. Det här är till exempel en bilmotor. Om denna cykel är helt effektiv är processen isotermisk eftersom temperaturen hålls konstant medan trycket förändras.

För att förstå grunderna i den isotermiska processen, överväga verkan av gaser i ett system. Den interna energin i en idealisk gas beror enbart på temperaturen, så förändringen av den inre energin under en isotermisk process för en idealisk gas är också 0. I ett sådant system utför all värme som tillförs ett system (av gas) arbete för att upprätthålla den isotermiska processen, så länge trycket förblir konstant. I grund och botten, när man överväger en ideal gas, arbetar man på systemet för att upprätthålla temperaturen att gasens volym måste minska när trycket på systemet ökar.

Isotermiska processer är många och varierande. Avdunstning av vatten i luften är en, liksom kokning av vatten vid en specifik kokpunkt. Det finns också många kemiska reaktioner som upprätthåller termisk jämvikt, och inom biologi sägs interaktionerna mellan en cell och dess omgivande celler (eller annat ämne) vara en isoterm process.

Avdunstning, smältning och kokning är också "fasförändringar". Det vill säga de är förändringar i vatten (eller andra vätskor eller gaser) som sker vid konstant temperatur och tryck.

I fysik kartläggs sådana reaktioner och processer med hjälp av diagram (diagram). I en fas diagram, en isotermisk process kartläggs genom att följa en vertikal linje (eller plan, i en 3D) fas diagram) längs en konstant temperatur. Trycket och volymen kan ändras för att bibehålla systemets temperatur.

När de ändras är det möjligt för ett ämne att ändra dess materiens tillstånd även om temperaturen förblir konstant. Förångningen av vatten när det kokar innebär således att temperaturen förblir densamma som systemet ändrar tryck och volym. Detta kartläggs sedan med att tempereringen förblir konstant längs diagrammet.

När forskare studerar isotermiska processer i system undersöker de verkligen värme och energi och anslutning mellan dem och den mekaniska energin som krävs för att ändra eller bibehålla temperaturen på a systemet. Sådan förståelse hjälper biologer att studera hur levande varelser reglerar sina temperaturer. Det spelar också in inom teknik, rymdvetenskap, planetvetenskap, geologi och många andra vetenskapsgrenar. Termodynamiska kraftcykler (och därmed isotermiska processer) är den grundläggande idén bakom värmemotorer. Människor använder dessa enheter för att driva elproduktionsanläggningar och, som nämnts ovan, bilar, lastbilar, flygplan och andra fordon. Dessutom finns sådana system på raketer och rymdskepp. Ingenjörer tillämpar principer för termisk hantering (med andra ord temperaturhantering) för att öka effektiviteten i dessa system och processer.

Redigerad och uppdaterad av Carolyn Collins Petersen.