Procesul isochoric: formule și calcul, exemple zilnice
Un proces isochoric este orice procedeu termodinamic în care volumul rămâne constant. Aceste procese sunt adesea numite izometrice sau isovolumice. În general, un proces termodinamic poate să apară la o presiune constantă și apoi este numit izobaric.
Când apare la o temperatură constantă, în acest caz se spune că este un proces izotermic. Dacă nu există schimb de căldură între sistem și mediu, atunci vorbim de adiabatică. Pe de altă parte, atunci când există un volum constant, procesul generat este numit isochoric.
În cazul procesului isochoric, se poate afirma că în aceste procese volumul de presiune-volum este nul, deoarece aceasta rezultă din înmulțirea presiunii prin creșterea volumului.
În plus, într-o diagramă termodinamică de presiune-volum, procesele isochorice sunt reprezentate sub forma unei linii drepte verticale.
Formule și calcul
Primul principiu al termodinamicii
În termodinamică, lucrarea se calculează pornind de la următoarea expresie:
W = P ∙ Δ V
În această expresie W este lucrarea măsurată în Joules, P presiunea măsurată în Newton pe metru pătrat și ΔV este variația sau creșterea volumului măsurată în metri cubi.
De asemenea, cel cunoscut ca primul principiu al termodinamicii afirmă că:
Δ U = Q - W
În această formulă W este lucrarea realizată de sistem sau sistem, Q este căldura primită sau emisă de sistem și ΔU este variația internă a energiei sistemului. Cu această ocazie, cele trei magnitudine sunt măsurate în Joule.
Întrucât într-un proces izocoric lucrarea este nulă, se dovedește că este adevărat că:
Δ U = Q V (deoarece, ΔV = 0 și deci W = 0)
Adică variația internă a energiei din sistem se datorează exclusiv schimbului de căldură între sistem și mediu. În acest caz, căldura transferată se numește căldură la volum constant.
Capacitatea de căldură a unui corp sau a sistemului rezultă din împărțirea cantității de energie sub formă de căldură transferată către un corp sau sistem într-un proces dat și schimbarea de temperatură pe care o resimte.
Atunci când procesul se desfășoară la un volum constant, capacitatea de căldură este vorbită la volum constant și este notată cu Cv (capacitatea de căldură molară).
Va fi îndeplinită în acest caz:
Q v = n ∙ C v ∙ ΔT
În această situație, n este numărul de moli, Cv este capacitatea de căldură molară menționată mai sus la volum constant și ΔT este creșterea temperaturii experimentată de corp sau sistem.
Exemple zilnice
Este ușor de imaginat un proces isochoric, este necesar doar să ne gândim la un proces care are loc la un volum constant; adică în care recipientul care conține materialul sau sistemul material nu se modifică în volum.
Un exemplu ar putea fi cazul unui gaz (ideal) închis într-un recipient închis a cărui volum nu poate fi modificat prin nici un mijloc la care este furnizată căldură. Să presupunem cazul unui gaz închis într-o sticlă.
Prin transferul căldurii către gaz, după cum sa explicat deja, se va ajunge la o creștere sau creștere a energiei sale interne.
Procesul invers ar fi cel al unui gaz închis într-un recipient al cărui volum nu poate fi modificat. Dacă gazul se răcește și dă căldură mediului, atunci presiunea gazului va fi redusă și valoarea energiei interne a gazului va scădea.
Ciclul ideal Otto
Ciclul Otto este un caz ideal al ciclului folosit de motoarele pe benzină. Cu toate acestea, utilizarea sa inițială a fost în mașinile care au utilizat gaz natural sau alți combustibili în stare gazoasă.
În orice caz, ciclul ideal al lui Otto este un exemplu interesant al procesului isochoric. Apare atunci când arderea amestecului benzină-aer are loc instantaneu într-un motor cu combustie internă.
În acest caz, are loc o creștere a temperaturii și a presiunii gazului din interiorul cilindrului, volumul rămânând constant.
Exemple practice
Primul exemplu
Având în vedere un gaz (ideal) închis într-un cilindru cu un piston, indicați dacă următoarele cazuri sunt exemple de procese isochorice.
- O lucrare de 500 J se face pe gaz.
În acest caz, nu ar fi un proces isochoric, deoarece pentru a efectua o lucrare asupra gazului este necesar să îl comprimați și, prin urmare, să îi modificați volumul.
- Gazul se extinde prin deplasarea orizontală a pistonului.
Din nou, nu ar fi un proces isochoric, deoarece extinderea gazului implică o variație a volumului său.
- pistonul cilindrului este fixat astfel încât să nu poată fi deplasat și gazul să fie răcit.
Cu această ocazie, ar fi un proces izocoric, deoarece nu ar exista o variație a volumului.
Al doilea exemplu
Determinați variația internă a energiei pe care un gaz conținut într-un container cu un volum de 10 L supus la o presiune de 1 atm va experimenta dacă temperatura sa crește de la 34 ° C la 60 ° C într-un proces isochoric, cunoscă căldura specifică molară C v = 2, 5 · R (unde R = 8, 31 J / mol · K).
Deoarece este un proces de volum constant, variația internă a energiei va avea loc doar ca o consecință a căldurii furnizate gazului. Aceasta se determină cu următoarea formulă:
Q v = n ∙ C v ∙ ΔT
Pentru a calcula căldura furnizată, este mai întâi necesar să se calculeze cantitatea de gaz conținută în recipient. Pentru aceasta este necesar să se recurgă la ecuația gazelor ideale:
P ∙ V ∙ n ∙ R ∙ T
În această ecuație, n este numărul de moli, R este o constantă a cărei valoare este 8, 31 J / mol · K, T este temperatura, P este presiunea la care este supus gazul măsurat în atmosferă și T este temperatura măsurată în Kelvin.
Ștergeți n și obțineți:
n = R ∙ T / (P ∙ V) = 0, 39 moli
Astfel:
Δ U = Q V = n ∙ C v ∙ ΔT = 0, 39 ∙ 2, 5 ∙ 8, 31 ∙ 26 = 210, 65 J
