Termodinàmica.
Transformació de l'energia

Energia tèrmica i combustió.
Efectes de la termodinàmica

Entropia

Procés isotèrmic

Procés isotèrmic

En termodinàmica, un procés isotèrmic és una transformació termodinàmica a temperatura constant, és a dir, una variació de l'estat d'un sistema físic durant el qual la temperatura del sistema no canvia amb el temps. Els dispositius anomenats termòstats poden mantenir un valor de temperatura constant.

La transformació isotèrmica d'un gas perfecte és descrita per la llei de Boyle que, en un diagrama de pressió-volum (o pla de Clapeyron), està representada per una branca de la hipèrbola equilàtera.

Isoterma d'un gas perfecte

Càlcul de calor i treball intercanviat

Per a les transformacions isotèrmiques del gas, la llei de Boyle-Mariotte és vàlida, segons la qual la pressió i el volum són inversament proporcionals; per tant, el producte a una temperatura constant p · V Veus igual a una constant que, per als gasos perfectes, coincideix amb el producte nRT.

La llei de Boyle està formulada matemàticament a través de la relació:

P · V = const.

En un diagrama de pressió-volum (és a dir, en el pla de Clapeyron), està representat per una hipèrbola equilàtera.

Considerem ara una transformació isotèrmica finita reversible d'un gas perfecte entre dos estats A i B a temperatura constant. Sent l'energia interna una funció de l'estat que depèn només de la temperatura tindrà dU = 0. Per tant, el treball realitzat per un gas perfecte durant una expansió isotèrmica reversible es calcula fàcilment a partir de la primera llei de la termodinàmica:

Càlcul del treball en un procés isotèrmic

Per a la primera llei de la termodinàmica, la calor que s'ha de subministrar al gas per mantenir la seva temperatura constant és exactament igual al treball, ja que la variació de l'energia interna, que depèn només de la temperatura, és igual a 0.

Càlcul d'entropia

De la definició d'entropia:

Fórmula de la definició de l'entropia

En el cas d'una transformació isotèrmica d'un gas perfecte, obtenim:

Fórmula del càlcul de l'entropia en un procés isotèrmic

De la qual cosa es veu que l'entropia d'una isoterma augmenta per una expansió.

Exemples de procés isotèrmic

Els processos isotèrmics poden ocórrer en qualsevol tipus de sistema que tingui algun mitjà per a regular la temperatura, incloses les màquines altament estructurades i fins i tot les cèl·lules vives. Algunes parts dels cicles d'alguns motors tèrmics es duen a terme isotèrmicament (per exemple, en el cicle de Carnot).

En l'anàlisi termodinàmic de reaccions químiques, és habitual analitzar primer el que succeeix sota condicions isotèrmiques i després considerar l'efecte de la temperatura. Els canvis de fase, com la fusió o l'evaporació, també són processos isotèrmics quan, com sol ser el cas, es produeixen a pressió constant. Els processos isotèrmics sovint es fan servir i són un punt de partida per analitzar processos més complexos i no isotèrmics.

Els processos isotèrmics són d'especial interès per als gasos ideals. Això és una conseqüència de la segona llei de Joule que estableix que l'energia interna d'una quantitat fixa d'un gas ideal depèn només de la seva temperatura. Per tant, en un procés isotèrmic, l'energia interna d'un gas ideal és constant. Això és el resultat del fet que en un gas ideal no hi ha forces intermoleculars. Tingueu en compte que això és cert només per als gasos ideals; l'energia interna depèn de la pressió, així com també de la temperatura de líquids, sòlids i gasos reals.

En la compressió isotèrmica d'un gas, es treballa en el sistema per disminuir el volum i augmentar la pressió. Fer treballs en el gas augmenta l'energia interna i tendirà a augmentar la temperatura. Per mantenir la temperatura constant, l'energia ha de sortir del sistema com a calor i entrar a l'ambient. Si el gas és ideal, la quantitat d'energia que ingressa a l'ambient és igual al treball realitzat en el gas, perquè l'energia interna no canvia. Per a detalls dels càlculs, vegeu el càlcul de la feina.

Per a un procés adiabàtic, en el qual no entra o surt calor del gas perquè el seu contenidor està ben aïllat, Q = 0. Si tampoc es realitza cap treball, és a dir, una expansió lliure, no hi ha canvi en l'energia interna. Per a un gas ideal, això significa que el procés també és isotèrmic. Per tant, especificar que un procés és isotèrmic no és suficient per especificar un procés únic.

Representació d'una transformació isotèrmica

S'indica el nom isoterma (o de forma més completa amb el terme isoterma de corba), en un gràfic en el qual es representa un procés tèrmic o transformacions més tèrmiques en la successió, la part de la gràfica que representa una transformació isotèrmica, és a dir, una transformació que es produeix en temperatura constant

Comparació del treball entre el procés isotèrmic i el procés adiabàtic

El procés adiabàtic es pren com la referència teòrica "ideal", que mostra el comportament sense pèrdua tèrmica, que es tradueix numèricament per una eficiència energètica d'exactament el 100%.

El treball requerit per a la compressió isotèrmica és més gran que el treball requerit per la mateixa compressió adiabàtica: el gas escalfat per la compressió és més càlid que la temperatura ambient, i en el cas isotèrmic, la calor pot sortir del sistema. El treball addicional observat per a la compressió isotèrmica correspon a l'energia tèrmica perduda pel sistema.

Per tant, l'eficiència energètica teòrica de la compressió isotèrmica és menor que l'eficiència energètica de la mateixa compressió mitjançant un procés adiabàtic, que és del 100%. Es dedueix que l'eficiència energètica teòrica d'una compressió isotèrmica és inferior al 100%, el que es troba, per exemple, en l'estudi del cicle de Carnot.

El treball resultant d'una expansió isotèrmica és més gran que el treball resultant de la mateixa expansió adiabàtica: el gas refredat per l'expansió és més fred que la temperatura ambient, i en el cas isotèrmic, la calor pot entrar al sistema. El treball addicional observat per a l'expansió isotèrmica correspon a l'energia tèrmica obtinguda pel sistema.

En conseqüència, l'eficiència energètica teòrica d'una expansió isotèrmica és més gran que l'eficiència energètica de la mateixa expansió d'acord amb un procés adiabàtic, que és del 100%. Es dedueix que l'eficiència energètica teòrica d'una expansió isotèrmica és superior al 100%, que es troba, per exemple, en l'estudi d'una màquina refrigeradora.

valoración: 3 - votos 1

Última revisió: 8 de març de 2018