Kas ir izotermisks process fizikā?

Fizikas zinātne pēta objektus un sistēmas, lai izmērītu to kustību, temperatūru un citas fizikālās īpašības. To var pielietot jebkam no vienšūnu organismiem līdz mehāniskām sistēmām līdz planētām, zvaigznēm un galaktikām un procesiem, kas tos pārvalda. Fizikā, termodinamika ir filiāle, kas koncentrējas uz izmaiņām enerģijas (siltuma) daudzums sistēmas īpašībās jebkuras fizikālās vai ķīmiskās reakcijas laikā.

"Izotermisks process" ir termodinamisks process, kurā sistēmas temperatūra paliek nemainīga. siltuma pārnešana iekļūšana sistēmā vai no tās notiek tik lēni, ka termiskais līdzsvars tiek uzturēts. "Termiskais" ir termins, kas raksturo sistēmas siltumu. "Iso" nozīmē "vienāds", tāpēc "izotermisks" nozīmē "vienāds siltums", kas ir tas, kas nosaka termisko līdzsvaru.

Parasti izotermiska procesa laikā notiek izmaiņas iekšējā vidē enerģija, siltuma enerģija, un darbs, kaut arī temperatūra paliek nemainīga. Kaut kas sistēmā darbojas, lai uzturētu šo vienādu temperatūru. Viens vienkāršs ideāls piemērs ir Carnot Cycle, kas pamatā apraksta siltuma motora darbību, piegādājot siltumu gāzei. Rezultātā gāze izplešas cilindrā, un tas liek virzuli veikt kādu darbu. Pēc tam siltums vai gāze jāizstumj no cilindra (vai jāizmet), lai varētu notikt nākamais siltuma / izplešanās cikls. Tas notiek, piemēram, automašīnas dzinējā. Ja šis cikls ir pilnīgi efektīvs, process ir izotermisks, jo temperatūra tiek uzturēta nemainīga, mainoties spiedienam.

Lai izprastu izotermiskā procesa pamatus, apsveriet gāzu darbību sistēmā. Iekšējā enerģija ideāla gāze ir atkarīgs tikai no temperatūras, tāpēc iekšējās enerģijas izmaiņas izotermiskā procesa laikā ideāla gāze ir arī 0. Šādā sistēmā viss sistēmai (gāzes) pievienotais siltums veic darbu, lai uzturētu izotermisko procesu, kamēr spiediens paliek nemainīgs. Būtībā, apsverot ideālu gāzi, darbs pie sistēmas, lai uzturētu temperatūru, nozīmē, ka gāzes tilpumam jāsamazinās, palielinoties spiedienam uz sistēmu.

Izotermiskie procesi ir daudz un dažādi. Ūdens iztvaikošana gaisā ir viena, tāpat kā ūdens vārīšana noteiktā viršanas temperatūrā. Ir arī daudz ķīmisku reakciju, kas uztur termisko līdzsvaru, un bioloģijā tiek apgalvots, ka šūnas mijiedarbība ar apkārtējām šūnām (vai citām vielām) ir izotermisks process.

Iztvaikošana, kušana un vārīšanās ir arī "fāzes izmaiņas". Tas ir, tās ir izmaiņas ūdenī (vai citos šķidrumos vai gāzēs), kas notiek nemainīgā temperatūrā un spiedienā.

Fizikā šādu reakciju un procesu kartēšana tiek veikta, izmantojot diagrammas (diagrammas). Iekšā fāzes diagramma, izotermisks process tiek diagrammēts, sekojot vertikālai līnijai (vai plaknei) 3D formātā fāzes diagramma) nemainīgā temperatūrā. Spiediens un tilpums var mainīties, lai uzturētu sistēmas temperatūru.

Tā kā tās mainās, vielai ir iespējams mainīt matērijas stāvoklis pat kamēr tā temperatūra paliek nemainīga. Tādējādi ūdens iztvaikošana, kamēr tas vārās, nozīmē, ka temperatūra paliek tāda pati kā sistēmā mainās spiediens un tilpums. Pēc tam to diagrammā norāda, ka izturēšanas režīms paliek nemainīgs diagrammā.

Kad zinātnieki pēta izotermiskos procesus sistēmās, viņi patiešām pēta siltumu, enerģiju un savienojums starp tiem un mehāniskā enerģija, kas nepieciešama, lai mainītu vai uzturētu a temperatūru sistēma. Šāda izpratne palīdz biologiem izpētīt, kā dzīvās būtnes regulē savu temperatūru. Tas darbojas arī inženierzinātnēs, kosmosa zinātnē, planētu zinātnē, ģeoloģijā un daudzās citās zinātnes nozarēs. Termodinamisko jaudas cikli (un tādējādi izotermiskie procesi) ir siltuma dzinēju pamatideja. Cilvēki izmanto šīs ierīces, lai darbinātu elektrostacijas un, kā jau minēts iepriekš, automašīnas, kravas automašīnas, lidmašīnas un citus transportlīdzekļus. Turklāt šādas sistēmas pastāv raķetēs un kosmosa kuģos. Inženieri izmanto termiskās pārvaldības principus (citiem vārdiem sakot, temperatūras pārvaldību), lai palielinātu šo sistēmu un procesu efektivitāti.

Rediģējis un atjauninājis Karolīna Kolinsa Petersena.