Comprendere quali sono i diversi processi termodinamici e come si utilizza la prima legge della termodinamica con ognuno di essi è fondamentale quando si inizia a considerare i motori termici e i cicli di Carnot.

Molti dei processi sono idealizzati, quindi mentre non riflettono accuratamente come accadono le cose nel mondo reale, sono utili approssimazioni che semplificano i calcoli e facilitano il trarre conclusioni. Questi processi idealizzati descrivono come gli stati di un gas ideale possono subire cambiamenti.

Il processo isotermico è solo un esempio e il fatto che si verifichi a una singola temperatura per definizione semplifica drasticamente il lavoro con la prima legge della termodinamica quando si calcolano cose come i processi del motore termico.
Che cos'è un processo isotermico?

Un processo isotermico è un processo termodinamico che si verifica a temperatura costante. Il vantaggio di lavorare a temperatura costante e con un gas ideale è che puoi usare la legge di Boyle e la legge del gas ideale per mettere in relazione pressione e volume. Entrambe queste espressioni (poiché la legge di Boyle è una delle numerose leggi incorporate nella legge del gas ideale) mostrano una relazione inversa tra pressione e volume. La legge di Boyle implica che:
P_1V_1 \u003d P_2V_2

Dove gli indici indicano la pressione ( P
) e il volume ( V
) al momento 1 e la pressione e il volume al momento 2. L'equazione mostra che se il volume raddoppia, ad esempio, la pressione deve ridursi della metà per mantenere l'equazione equilibrata e viceversa. La legge del gas ideale completa è PV
\u003d nRT
, dove n
è il numero di moli del gas, R
è il gas universale costante e T
è la temperatura. Con una quantità fissa di gas e una temperatura fissa, PV
deve assumere un valore costante, che porta al risultato precedente.

Su un diagramma pressione-volume (PV), che è un grafico della pressione rispetto al volume spesso usato per i processi termodinamici, un processo isotermico assomiglia al grafico di y
\u003d 1 / x
, curvando verso il basso verso il suo valore minimo.

Un punto che confonde spesso le persone è la distinzione tra
isotermico e adiabatico
, ma spezzare la parola nelle sue due parti può aiutarti a ricordare questo. "Iso" significa uguale e "termico" si riferisce al calore di qualcosa (cioè, la sua temperatura), quindi "isotermico" significa letteralmente "a una temperatura uguale". I processi adiabatici non implicano il trasferimento di calore , ma il la temperatura del sistema cambia spesso durante di essi.
Processi isotermici e la prima legge della termodinamica

La prima legge della termodinamica afferma che il cambiamento di energia interna ( ∆U
) per un sistema è uguale al calore aggiunto al sistema ( Q
) meno il lavoro svolto dal sistema ( W
), o in simboli:
∆U \u003d Q - W

Quando hai a che fare con un processo isotermico, puoi usare il fatto che l'energia interna è direttamente proporzionale alla temperatura insieme a questa legge per trarre una conclusione utile. L'energia interna di un gas ideale è:
U \u003d \\ frac {3} {2} nRT

Ciò significa che per una temperatura costante, hai un'energia interna costante. Quindi con ∆U
\u003d 0, la prima legge della termodinamica può essere facilmente riorganizzata in:
Q \u003d W

O, in parole, il calore aggiunto al sistema è uguale al lavoro svolto dal sistema, il che significa che il calore aggiunto viene utilizzato per fare il lavoro. Ad esempio, nell'espansione isotermica, il calore viene aggiunto al sistema, causandone l'espansione, facendo lavoro sull'ambiente senza perdere energia interna. In una compressione isotermica, l'ambiente funziona sul sistema e fa sì che il sistema perda questa energia come calore.
Processi isotermici nei motori termici

I motori termici utilizzano un ciclo completo di processi termodinamici per convertire il calore energia in energia meccanica, di solito spostando un pistone mentre il gas nel motore termico si espande. I processi isotermici sono una parte fondamentale di questo ciclo, con l'energia termica aggiunta completamente convertita in lavoro senza alcuna perdita.

Tuttavia, si tratta di un processo altamente idealizzato, perché in pratica ci sarà sempre una perdita di energia quando l'energia termica viene convertita in lavoro. Affinché funzioni nella realtà, dovrebbe essere necessario un tempo infinito affinché il sistema possa rimanere sempre in equilibrio termico con l'ambiente circostante.

I processi isotermici sono considerati processi reversibili, perché se tu ' dopo aver completato un processo (ad esempio un'espansione isotermica) è possibile eseguire lo stesso processo al contrario (una compressione isotermica) e riportare il sistema al suo stato originale. In sostanza, puoi eseguire lo stesso processo avanti o indietro nel tempo senza infrangere alcuna legge della fisica.

Tuttavia, se ci provassi nella vita reale, la seconda legge della termodinamica significherebbe che c'è stato un aumento dell'entropia durante il processo "avanti", quindi quello "indietro" non riporterebbe completamente il sistema al suo stato originale.

Se si traccia un processo isotermico su un diagramma fotovoltaico, il lavoro svolto durante il processo è uguale all'area sotto la curva. Sebbene sia possibile calcolare il lavoro svolto in modo isotermico in questo modo, è spesso più semplice utilizzare la prima legge della termodinamica e il fatto che il lavoro svolto sia uguale al calore aggiunto al sistema.
Altre espressioni per il lavoro svolto in isotermico Processi

Se stai facendo calcoli per un processo isotermico, ci sono un paio di altre equazioni che puoi usare per trovare il lavoro svolto. Il primo di questi è:
W \u003d nRT \\ ln \\ bigg (\\ frac {V_f} {V_i} \\ bigg)

Dove V
_{f è il volume finale e V
i è il volume iniziale. Utilizzando la legge del gas ideale, è possibile sostituire la pressione e il volume iniziale ( P
i e V
i) con nRT
in questo equazione da ottenere:
W \u003d P_iV_i \\ ln \\ bigg (\\ frac {V_f} {V_i} \\ bigg)}

Potrebbe essere più facile nella maggior parte dei casi lavorare attraverso il calore aggiunto, ma se hai solo informazioni riguardo alla pressione, al volume o alla temperatura, una di queste equazioni potrebbe semplificare il problema. Poiché il lavoro è una forma di energia, la sua unità è il joule (J).
Altri processi termodinamici

Esistono molti altri processi termodinamici e molti di questi possono essere classificati in modo simile ai processi isotermici , tranne per il fatto che quantità diverse dalla temperatura sono costantemente costanti. Un processo isobarico è uno che si verifica a una pressione costante e per questo motivo la forza esercitata sulle pareti del contenitore è costante e il lavoro svolto è dato da W
\u003d P∆V
.

Per il gas in fase di espansione isobarica, è necessario un trasferimento di calore per mantenere costante la pressione e questo calore modifica l'energia interna del sistema oltre a svolgere attività.

Un processo isocorico si svolge a volume costante. Ciò ti consente di semplificare la prima legge della termodinamica, perché se il volume è costante, il sistema non può lavorare sull'ambiente. Di conseguenza, il cambiamento nell'energia interna del sistema è interamente dovuto al calore trasferito.

Un processo adiabatico si verifica senza scambio di calore tra il sistema e l'ambiente. Ciò non significa che non vi siano variazioni di temperatura nel sistema, poiché il processo potrebbe comportare un aumento o una diminuzione della temperatura senza trasferimento diretto di calore. Tuttavia, senza trasferimento di calore, la prima legge mostra che qualsiasi cambiamento nell'energia interna deve essere dovuto al lavoro svolto sul sistema o dal sistema, poiché imposta Q
\u003d 0 nell'equazione.