Proceso isotérmico, Detalles de un gas ideal, Cálculo de trabajo, Aplicaciones


Un proceso isotérmico es un cambio de un sistema, en el que la temperatura se mantiene constante:? T = 0. Esto se produce normalmente cuando un sistema está en contacto con un depósito térmico exterior, y el cambio se produce lo suficientemente lento como para permitir que el sistema ajuste continuamente a la temperatura del depósito a través de intercambio de calor. Por el contrario, un proceso adiabático es donde un sistema de intercambio de calor no con su entorno. En otras palabras, en un proceso isotérmico, el valor? T = 0 pero Q? 0, mientras que en un proceso adiabático,? T? 0 pero Q = 0.

Detalles de un gas ideal

Para el caso especial de un gas al que se aplica la ley de Boyle, el producto pV es una constante si el gas se mantiene en condiciones isotérmicas. Sin embargo, los casos en que el producto pv es un término exponencial de no correspondencia. El valor de la constante es nRT, donde n es el número de moles de gas presentes y R es la constante de los gases ideales. En otras palabras, se aplica la ley de los gases ideales PV = nRT. Esto significa que

bodegas. La familia de las curvas generadas por esta ecuación se muestra en el gráfico que se presenta en la parte inferior derecha de la página. Cada curva se llama una isoterma. Estos gráficos se denominan diagramas de indicador y se utilizaron por primera vez por James Watt y otros para controlar la eficiencia de los motores. La temperatura correspondiente a cada curva en la figura aumenta desde la parte inferior izquierda a la superior derecha.

Cálculo de trabajo

En termodinámica, el trabajo involucrado cuando un gas cambia de estado A al estado B es simplemente

Para un, proceso reversible isotérmica, esta integral es igual al área bajo la presión-volumen relevante isoterma, y se indica en púrpura en la figura para un gas ideal. Una vez más, p = nRT/V se aplica y con T es constante, tenemos:

Por convención, el trabajo se define como el trabajo que hace el sistema en su entorno. Si, por ejemplo, el sistema se expande por un pistón que se mueve en la dirección de la fuerza aplicada por la presión interna de un gas, entonces el trabajo se cuenta como positivo, y como este trabajo se realiza mediante el uso de la energía interna del sistema, el resultado es que la energía interna disminuye. Por el contrario, si el entorno funciona en el sistema de forma que aumenta su energía interna, el trabajo es considerado como negativo.

También vale la pena señalar que, para muchos sistemas, si la temperatura se mantiene constante, la energía interna del sistema también es constante, y así. De la primera ley de la termodinámica, lo que se deduce que, para este mismo proceso isotérmico.

Cuando no hay calor fluye dentro o fuera del gas debido a que la temperatura es constante, entonces no hay trabajo realizado. Por lo tanto, el trabajo = 0, lo que significa que la presión externa es cero. Esto se conoce como expansión libre.

Aplicaciones

Procesos isotérmicos pueden ocurrir en cualquier tipo de sistema, incluidas las altamente estructuradas y células aún vivas. Varias partes de los ciclos de algunos motores de calor se llevan a cabo isotérmicamente y se pueden aproximar por un ciclo de Carnot. Los cambios de fase, tales como fusión o evaporación, también son procesos isotérmicos.

En proceso isotérmico no flujo, el trabajo realizado por la compresión del gas perfecto es un trabajo negativo, como el trabajo se realiza en el sistema, como resultado de la compresión, se reduce el volumen, y la temperatura se trate de aumentar. Para mantener la temperatura a un valor constante de energía de calor tiene que salir del sistema y entre en el medio ambiente. La cantidad de energía que entra en el medio ambiente es igual al trabajo realizado ya que la energía interna no cambia. La convención de signos termodinámico es que el calor que entra en el medio ambiente también es negativo. Desde allí-Q = W.

En la ecuación de trabajo, el término nRT puede ser sustituido por PV de cualquier estado de un gas ideal. El producto de la presión y el volumen es, de hecho, "Moving trabajo de frontera '; los límites de los sistemas se comprimen. Para la expansión se aplica la misma teoría.

De acuerdo con la ley de Joule para el gas ideal, la energía interna es la función de la temperatura absoluta. En un proceso isotérmico la temperatura es constante. Por lo tanto, la energía interna es constante, y el cambio neto en la energía interna es cero. Dentro del gas perfecto, o ideal, no hay fuerzas intermoleculares y las partículas de gas son infinitesimales. Sin embargo, para una sustancia pura real hay una componente de la energía interna que corresponde a la energía utilizada en la superación de las fuerzas intermoleculares. En un proceso isotérmico, cuando el volumen de los cambios de gas, la distancia media entre cada molécula cambia también. Así que si el gas puro verdadero se somete a un proceso isotérmico, hay un cambio neto en la temperatura interna consistente con este componente de la energía interna.