Co je termodynamický proces? Fyzika FAQ

Systém prochází termodynamickým procesem, když v systému dochází k nějaké energetické změně, obvykle spojené se změnami tlaku, objemu, vnitřní energie, teplota nebo jakýkoli druh přenos tepla.

Existuje několik specifických typů termodynamických procesů, které se vyskytují dostatečně často (av praktických situacích), které jsou běžně ošetřovány při studiu termodynamiky. Každá z nich má jedinečnou vlastnost, která ji identifikuje a která je užitečná při analýze energetických a pracovních změn souvisejících s procesem.

• Adiabatický proces - proces bez přenosu tepla do nebo ze systému.
• Isochoric proces - proces beze změny objemu, kdy systém nefunguje.
• Izobarický proces - proces beze změny tlaku.
• Izotermický proces - proces bez změny teploty.

Je možné mít více procesů v rámci jednoho procesu. Nejviditelnějším příkladem by byl případ, kdy by se změnil objem a tlak, což by vedlo k žádné změně teploty nebo přenosu tepla - takový proces by byl jak adiabatický, tak izotermický.

Matematicky řečeno, první zákon termodynamiky lze napsat jako:

delta- U = Q - W nebo Q = delta- U + W
kde

• delta-U = změna vnitřní energie systému
• Q = teplo přenášené do nebo ze systému.
• W = práce prováděná systémem nebo v systému.

Při analýze jednoho ze speciálních termodynamických procesů popsaných výše často (i když ne vždy) najdeme velmi šťastný výsledek - jedna z těchto veličin snižuje na nulu!

Například v adiabatickém procesu nedochází k žádnému přenosu tepla Q = 0, což má za následek velmi přímý vztah mezi vnitřní energií a prací: delta-Q = -W. Konkrétnější podrobnosti o jejich jedinečných vlastnostech najdete v jednotlivých definicích těchto procesů.

Většina termodynamických procesů probíhá přirozeně z jednoho směru do druhého. Jinými slovy, mají preferovaný směr.

Teplo proudí z teplejšího předmětu do chladnějšího. Plyny se rozpínají, aby vyplnily místnost, ale nebudou se spontánně stahovat, aby vyplnily menší prostor. Mechanická energie může být přeměněna úplně na teplo, ale je prakticky nemožné přeměnit teplo úplně na mechanickou energii.

Některé systémy však procházejí reverzibilním procesem. Obecně k tomu dochází, když je systém vždy blízko tepelné rovnováze, a to jak uvnitř samotného systému, tak s okolím. V takovém případě mohou infinitezimální změny podmínek systému způsobit, že proces půjde opačným směrem. Jako takový, reverzibilní proces je také známý jako rovnovážný proces.

Příklad 1: Dva kovy (A a B) jsou v tepelném kontaktu a tepelná rovnováha. Kov A se zahřívá v nekonečném množství, takže z něj proudí teplo do kovu B. Tento proces lze zvrátit ochlazením A na nekonečně velké množství, kdy začne teplo proudit z B do A, dokud nebudou opět v tepelné rovnováze.

Příklad 2: Plyn je expandován pomalu a adiabaticky v reverzibilním procesu. Zvýšením tlaku o nekonečně velké množství může stejný plyn stlačit pomalu a adiabaticky zpět do původního stavu.

Je třeba poznamenat, že se jedná o poněkud idealizované příklady. Z praktických důvodů přestane systém, který je v tepelné rovnováze, být v tepelné rovnováze, jakmile bude zavedena jedna z těchto změn... proces tedy není ve skutečnosti úplně reverzibilní. Je to idealizovaný model o tom, jak by taková situace nastala, i když s pečlivou kontrolou experimentálních podmínek může být proveden proces, který je velmi blízko plně reverzibilní.

Většina procesů je samozřejmě nevratné procesy (nebo procesy nerovnováhy). Použití tření brzd dělá práci na autě nevratným procesem. Nechat vzduch z vypouštění balónku do místnosti je nevratný proces. Vložení bloku ledu na horký cementový chodník je nevratný proces.

Celkově jsou tyto nevratné procesy důsledkem druhého zákona o termodynamice, který je často definován pomocí entropienebo porucha systému.

Existuje několik způsobů, jak vyjádřit druhý zákon termodynamiky, ale v zásadě to omezuje účinnost každého přenosu tepla. Podle druhého termodynamického zákona bude v procesu vždy ztraceno určité teplo, a proto není možné mít v reálném světě úplně reverzibilní proces.

Nazýváme jakékoli zařízení, které částečně přeměňuje teplo na pracovní nebo mechanickou energii tepelný motor. Tepelný motor to provádí tak, že přenáší teplo z jednoho místa na druhé a během této práce provádí nějakou práci.

Pomocí termodynamiky je možné analyzovat tepelná účinnost tepelného motoru a to je téma obsažené ve většině úvodních kurzů fyziky. Zde jsou některé tepelné motory, které jsou často analyzovány ve fyzických kurzech:

• Spalovací motor - Motor poháněný palivem, jako jsou motory používané v automobilech. „Ottoův cyklus“ definuje termodynamický proces běžného benzínového motoru. „Dieselový cyklus“ se týká motorů na dieselový pohon.
• Lednička - Tepelný motor vzad, lednička odebírá teplo z chladného místa (uvnitř chladničky) a přenáší jej na teplé místo (mimo chladničku).
• Tepelné čerpadlo - Tepelné čerpadlo je typ tepelného motoru, podobný ledničce, která se používá k vytápění budov chlazením venkovního vzduchu.

V roce 1924 vytvořil francouzský inženýr Sadi Carnot idealizovaný, hypotetický motor, který měl maximální možnou účinnost v souladu s druhým zákonem o termodynamice. Pro svou účinnost dospěl k následující rovnici, E_Carnot:

E_Carnot = ( T_H - T_C) / T_H

T_H a T_C jsou teploty horkých a studených nádrží. S velmi velkým teplotním rozdílem získáte vysokou účinnost. Nízká účinnost nastane, pokud je rozdíl teplot nízký. Účinnost pouze 1 (100% účinnost) získáte, pokud T_C = 0 (tj. absolutní hodnota), což je nemožné.