Un procés isotèrmic és una transformació termodinàmica en què la temperatura del sistema roman constant durant tot el procés. És a dir, encara que l‟estat del sistema pugui canviar en termes de pressió i volum, la temperatura no varia.
Aquest tipus de processos són especialment rellevants en l‟estudi dels gasos ideals, ja que, segons la segona llei de Joule, l‟energia interna d‟un gas ideal depèn exclusivament de la seva temperatura. Per tant, si la temperatura és constant, lenergia interna també ho serà.
En un procés isotèrmic d'un gas ideal, la calor intercanviada amb l'entorn (Q) és igual a la feina feta (W):
Això significa que qualsevol quantitat de calor absorbida pel sistema es converteix en feina sense provocar canvis a l'energia interna.
Exemples de processos isotèrmics
Els processos isotèrmics tenen lloc en molts sistemes naturals i tecnològics. Alguns exemples destacats inclouen:
Canvis de fase : La fusió d'un sòlid o l'evaporació d'un líquid es produeixen a temperatura constant. Per exemple, quan el gel es fon a 0 °C absorbeix calor sense que la seva temperatura canviï fins que tota la substància hagi passat a l'estat líquid.- Cicle de Carnot Part del cicle de Carnot, un model teòric de màquina tèrmica ideal, involucra transformacions isotèrmiques. Durant aquestes fases, el sistema intercanvia calor amb l'entorn mentre la temperatura roman invariable.
- Refrigeradors i bombes de calor En aquests dispositius, certs processos termodinàmics, com l'evaporació del refrigerant a l'evaporador, es realitzen a temperatura constant per extreure calor de l'interior del sistema i dissipar-lo a l'exterior.
- Processos biològics : A la biologia cel·lular, moltes reaccions metabòliques i processos d'intercanvi d'energia ocorren sota condicions isotèrmiques, ja que les cèl·lules mantenen la seva temperatura relativament estable.
- Expansió d'un globus d'heli Quan un globus ascendeix a l'atmosfera, el seu volum s'expandeix a causa de la disminució de la pressió externa. Si el procés passa lentament i el globus intercanvia calor amb l'aire circumdant, la temperatura del gas dins del globus pot romandre constant, aproximant-se a un procés isotèrmic.
- Compressió lenta d'un gas en un pistó amb parets conductores : Si un gas es comprimeix lentament en un cilindre amb parets altament conductores de calor, el sistema pot transferir la calor generada cap a l'exterior, assegurant que la temperatura no canviï.
- Sistemes geotèrmics profunds : En algunes capes profundes de la Terra, la temperatura es manté gairebé constant a causa de l'equilibri tèrmic amb l'entorn circumdant. L'intercanvi de calor en aquests sistemes passa sense variacions significatives de temperatura, aproximant-se a condicions isotèrmiques.
- Processos industrials de liqüefacció de gasos A la indústria química, certs processos de liqüefacció i vaporització de gasos com l'oxigen o el nitrogen ocorren a temperatura constant, mitjançant la regulació precisa de la calor intercanviada amb el sistema.
- Evaporació en una olla oberta Quan l'aigua bull a 100 °C a pressió atmosfèrica, l'energia subministrada s'usa exclusivament per canviar l'estat de líquid a vapor sense augmentar la temperatura, sent un procés isotèrmic.
- Compressió de gasos en cilindres de busseig Quan un gas es comprimeix lentament en un cilindre de busseig, la calor generada per la compressió es dissipa a l'entorn, permetent que la temperatura del gas romangui constant. Aquest procés s'acosta a una transformació isotèrmica si la compressió és prou lenta perquè el sistema intercanviï calor amb l'ambient.
Regulació de la temperatura
Per mantenir una temperatura constant durant un procés isotèrmic, cal que el sistema estigui en contacte amb un termòstat o un focus tèrmic amb una capacitat calorífica molt més gran.
Aquest dispositiu garanteix que qualsevol calor absorbida o alliberada es compensi immediatament per evitar variacions de temperatura.
Processos isotèrmics en gasos ideals
Els gasos ideals proporcionen un marc teòric ideal per analitzar els processos isotèrmics. Durant la compressió o expansió isotèrmica, el gas es manté en contacte amb un sistema de gran capacitat calorífica que assegura que la temperatura no variï.
Compressió isotèrmica
Quan un gas ideal es comprimeix isotèrmicament, el volum disminueix i la pressió augmenta. Per mantenir la temperatura constant, el gas ha d'alliberar calor a l'entorn en una quantitat exactament igual a la feina que s'està fent sobre ell.
Expansió isotèrmica
En una expansió isotèrmica, el gas n'augmenta el volum i en disminueix la pressió. En aquest cas, cal subministrar calor al sistema per compensar la feina que realitza el gas en expandir-se.
Matemàticament, el treball realitzat per un gas ideal en una expansió o compressió isotèrmica s'expressa com:
on:
- \(W \) és el treball realitzat,
- \(n \) és el nombre de mols del gas,
- \(R \) és la constant dels gasos ideals,
- \(T \) és la temperatura absoluta,
- \(V_f \) i \(V_i \) són els volums final i inicial, respectivament.