Thermodynamik.
Energieumwandlung

I Verbrennung thermische Energie.
Auswirkungen der Thermodynamik

Entropy

Isothermer Prozess

Isothermer Prozess

In der Thermodynamik ist ein isothermer Prozess eine thermodynamische Umwandlung bei konstanter Temperatur, dh eine Variation des Zustands eines physikalischen Systems, während dessen sich die Temperatur des Systems nicht mit der Zeit ändert. Thermostate genannte Geräte können einen konstanten Temperaturwert aufrechterhalten.

Die isotherme Umwandlung eines perfekten Gases wird durch das Boylesche Gesetz beschrieben, das in einem Druck-Volumen-Diagramm (oder Clapeyron-Ebene) durch einen Zweig der gleichseitigen Hyperbel dargestellt wird.

Isotherme eines perfekten Gases

Berechnung der ausgetauschten Wärme und Arbeit

Für isothermischen Umwandlungen Gas, Boyle Gesetz gilt, wobei der Druck und das Volumen umgekehrt proportional ist; daher ist das Produkt bei einer konstanten Temperatur p · V gleich einer Konstante, die für perfekte Gase dem Produkt nRT entspricht.

Boyles Gesetz wird mathematisch durch die Beziehung formuliert:

P · V = konst.

In einem Druck-Volumen-Diagramm (dh in der Ebene des Clapeyron), wird sie von einem gleichseitigen Hyperbel dargestellt ist.

Wir betrachten nun eine reversible endliche isotherme Umwandlung eines perfekten Gases zwischen zwei Zuständen A und B bei konstanter Temperatur. Da die innere Energie eine Funktion des Zustandes ist, der nur von der Temperatur abhängt, wird dU = 0 sein. Daher wird die Arbeit eines perfekten Gases während einer reversiblen isothermen Expansion leicht aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik berechnet:

Berechnung der Arbeit in einem isothermen Prozess

Für den ersten Hauptsatz der Thermodynamik, die Wärme zugeführt werden, um Gas seiner Temperatur konstant zu halten, um die Arbeit genau gleich ist, da die Veränderung der inneren Energie, die nur von der Temperatur abhängt, ist gleich 0

Berechnung der Entropie

Aus der Definition der Entropie:

Formel der Definition der Entropie

Im Fall einer isothermen Umwandlung eines perfekten Gases erhalten wir:

Formel der Berechnung der Entropie in einem isothermen Prozess

aus dem ersichtlich ist, dass die Entropie einer Isotherme für eine Expansion zunimmt.

Beispiele des isothermen Prozesses

Isotherme Prozesse können in jedem System auftreten, in dem die Temperatur reguliert wird, einschließlich hochstrukturierter Maschinen und sogar lebender Zellen. Einige Teile der Zyklen einiger Wärmekraftmaschinen werden isotherm ausgeführt (zum Beispiel im Carnot-Zyklus).

In der thermodynamischen Analyse chemischer Reaktionen ist es üblich, zuerst zu analysieren, was unter isothermen Bedingungen geschieht, und dann den Effekt der Temperatur zu betrachten. Phasenänderungen, wie Schmelzen oder Verdampfen, sind ebenfalls isotherme Prozesse, wenn sie wie üblich bei konstantem Druck auftreten. Isotherme Prozesse werden oft verwendet und sind Ausgangspunkt für die Analyse komplexer und nicht-isothermer Prozesse.

Isotherme Prozesse sind von besonderem Interesse für ideale Gase. Dies ist eine Folge von Joules zweitem Gesetz, das besagt, dass die innere Energie einer festen Menge eines idealen Gases nur von seiner Temperatur abhängt. Daher ist in einem isothermen Prozess die innere Energie eines idealen Gases konstant. Dies ist darauf zurückzuführen, dass in einem idealen Gas keine intermolekularen Kräfte auftreten. Beachten Sie, dass dies nur für ideale Gase gilt; die innere Energie hängt vom Druck sowie der Temperatur von Flüssigkeiten, Feststoffen und realen Gasen ab.

Bei der isothermischen Kompression eines Gases arbeitet das System, um das Volumen zu verringern und den Druck zu erhöhen. Arbeiten am Gas erhöht die innere Energie und wird dazu neigen, die Temperatur zu erhöhen. Um die Temperatur konstant zu halten, muss die Energie das System als Wärme verlassen und in die Umgebung gelangen. Wenn das Gas ideal ist, ist die Energiemenge, die in die Umgebung gelangt, gleich der Arbeit, die mit dem Gas gemacht wird, weil sich die innere Energie nicht ändert. Einzelheiten zu den Berechnungen finden Sie in der Jobberechnung.

Für einen adiabatischen Prozess, bei dem Wärme nicht in das Gas eindringt oder dieses verlässt, weil sein Behälter gut isoliert ist, ist Q = 0. Wenn auch keine Arbeit getan wird, dh eine freie Expansion, ändert sich die innere Energie nicht. Für ein ideales Gas bedeutet dies, dass der Prozess auch isotherm ist. Daher reicht die Angabe, dass ein Prozess isotherm ist, nicht aus, um einen einzelnen Prozess zu spezifizieren.

Darstellung einer isothermischen Transformation

Der isotherme Name wird angezeigt (oder vollständiger mit dem Begriff Isotherme der Kurve), in einem Diagramm, das einen thermischen Prozess oder mehr thermische Transformationen in der Sequenz darstellt, der Teil des Graphen, der eine isothermische Transformation darstellt, das heißt, eine Umwandlung, die bei konstanter Temperatur auftritt

Vergleich der Arbeiten zwischen dem isothermen Prozess und dem adiabatischen Prozess

Der adiabatische Prozess wird als "idealer" theoretischer Bezug genommen, der das Verhalten ohne thermischen Verlust zeigt, der numerisch durch eine Energieeffizienz von genau 100% übersetzt wird.

Die für die isothermische Kompression erforderliche Arbeit ist größer als die Arbeit, die für dieselbe adiabatische Kompression erforderlich ist: Das durch die Kompression erwärmte Gas ist wärmer als die Umgebungstemperatur, und im isothermen Fall kann die Wärme das System verlassen. Die zusätzliche Arbeit, die für die isothermische Kompression beobachtet wird, entspricht der thermischen Energie, die durch das System verloren geht.

Daher ist die theoretische Energieeffizienz der isothermen Kompression geringer als die Energieeffizienz der gleichen Kompression durch einen adiabatischen Prozess, die 100% beträgt. Daraus folgt, dass die theoretische Energieeffizienz einer isothermen Kompression weniger als 100% beträgt, was beispielsweise in der Untersuchung des Carnot-Zyklus gefunden wurde.

Die aus einer isothermen Expansion resultierende Arbeit ist größer als die aus derselben adiabatischen Expansion resultierende Arbeit: Das durch die Expansion gekühlte Gas ist kälter als die Umgebungstemperatur, und im isothermen Fall kann die Wärme in das System eintreten. Die zusätzliche Arbeit, die für die isothermische Expansion beobachtet wird, entspricht der thermischen Energie, die durch das System erhalten wird.

Folglich ist die theoretische Energieausbeute einer isothermen Expansion größer als die Energieeffizienz der gleichen Ausdehnung gemäß einem adiabatischen Verfahren, das 100% beträgt. Daraus folgt, dass die theoretische Energieeffizienz einer isothermen Expansion größer als 100% ist, wie zum Beispiel bei der Untersuchung einer Kältemaschine gefunden.

valoración: 3 - votos 1

Geändert am: 8. März 2018