Der isotherme Prozess ist eine thermodynamische Umwandlung bei konstanter Temperatur. Dies ist eine Variation des Zustands eines physikalischen Systems, während dessen die Temperatur des Systems konstant bleibt.
Da die innere Energie eines idealen Gases nur von der Temperatur abhängt und in einem isothermen Prozess in der Expansion konstant bleibt, entspricht die dem Fokus entnommene Wärme der vom Gas geleisteten Arbeit: Q = W. Nach dem ersten Gesetz von Thermodynamik
Thermostate sind Geräte, die bei solchen thermodynamischen Prozessen einen konstanten Temperaturwert aufrechterhalten können.
Das Boyle'sche Gesetz beschreibt die isotherme Umwandlung eines perfekten Gases. „Der durch eine chemische Kraft ausgeübte Druck ist umgekehrt proportional zur gasförmigen Masse, solange ihre Temperatur konstant bleibt. (Wenn das Volumen zunimmt, nimmt der Druck ab, und wenn das Volumen abnimmt, nimmt der Druck zu.)
Der isobare Prozess ist der gleiche, hält jedoch den Druck konstant.
Beispiele für isotherme Prozesse
Isotherme Prozesse können in jeder Art von System auftreten, das über Mittel zur Temperaturregulierung verfügt. Nachfolgend sind einige Beispiele aufgeführt:
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Die Phasenänderungen verschiedener Flüssigkeiten während des Schmelz- und Verdampfungsprozesses sind isotherm.
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Bestimmte Zyklen von Wärmekraftmaschinen; Zum Beispiel Carnots Maschine. Ein Teil des Carnot-Zyklus wird durchgeführt und die Temperatur bleibt konstant.
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Die Reaktionen im Kühlschrank sind isotherm und die Temperatur wird konstant gehalten.
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In der Biologie erfolgt die Wechselwirkung einer Zelle mit ihren umgebenden Zellen durch isotherme Prozesse.
Isotherme Prozesse in idealen Gasen
In der Physik und Thermodynamik sind isotherme Prozesse für ideale Gase von besonderem Interesse. Dies ist eine Folge von Joules zweitem Gesetz. Dieses Gesetz besagt, dass die innere Energie einer festen Menge eines idealen Gases nur von der Temperatur abhängt.
Daher ist in einem isothermen Prozess die innere Energie eines idealen Gases konstant. Dies ist das Ergebnis der Tatsache, dass in einem idealen Gas keine intermolekularen Kräfte vorhanden sind. Die innere Energie hängt von Temperatur, Druck und Volumen ab.
In diesem Prozess werden Arbeiten ausgeführt, die das Volumen und den Druck verändern. Diese Arbeit beinhaltet eine Variation der inneren Energie und neigt dazu, die Temperatur zu erhöhen. Um die Temperatur konstant zu halten, ist ein Wärmeaustausch mit der Außenseite erforderlich.
Bei einer isothermen Expansion wird die Wärmeenergie absorbiert, bei einer Kompression wird die Wärmeenergie freigesetzt. Die übertragene Wärmemenge entspricht der geleisteten Arbeit. Damit sich das Gas ausdehnen kann, muss es mit Wärme versorgt werden.
Vergleich der Arbeit zwischen dem isothermen und dem adiabatischen Prozess
Der adiabatische Prozess wird als "ideale" theoretische Referenz angesehen. Es zeigt das Verhalten ohne Wärmeverlust, was eine Energieeffizienz von genau 100% bedeutet.
Für die isotherme Kompression erforderliche Arbeiten
Die Arbeit an dem System, die für die isotherme Kompression erforderlich ist, ist größer als die Arbeit, die für dieselbe adiabatische Kompression erforderlich ist. Dies bedeutet, dass das durch Kompression erhitzte Gas wärmer als Raumtemperatur ist. Im isothermen Fall kann Wärmeenergie das System verlassen.
Die zusätzliche Arbeit entspricht der Wärmeenergie des verlorenen Systems.
Theoretische Energieeffizienz
Daher ist die theoretische Energieeffizienz der isothermen Kompression geringer als bei Verwendung eines adiabatischen Prozesses (100%). Daraus folgt, dass die theoretische Energieeffizienz einer isothermen Kompression weniger als 100% beträgt.
Es findet sich zum Beispiel in der Untersuchung des Carnot-Zyklus.
Arbeit aus einer Erweiterung
Die Arbeit, die aus einer isothermen Expansion resultiert, ist größer als die Arbeit, die aus derselben adiabatischen Expansion resultiert. Das durch die Expansion gasgekühlte ist kälter als die Umgebungstemperatur. Im isothermen Fall kann Wärme in das System gelangen. Die für die isotherme Expansion beobachtete zusätzliche Arbeit entspricht der vom System erhaltenen Wärmeenergie.
Folglich ist die theoretische Energieeffizienz einer isothermen Expansion größer als die gleiche Expansion in einem adiabatischen Prozess (100%). Daraus folgt, dass die theoretische Energieeffizienz einer isothermen Expansion größer als 100% ist, was beispielsweise bei der Untersuchung einer Kältemaschine zu finden ist.