Co je to izotermální proces ve fyzice?

Věda fyziky studuje objekty a systémy pro měření jejich pohybů, teplot a dalších fyzikálních charakteristik. Může být aplikován na cokoli od jednobuněčných organismů po mechanické systémy, planety, hvězdy a galaxie a procesy, které je řídí. V rámci fyziky termodynamika je větev, která se zaměřuje na změny energie (tepla) ve vlastnostech systému během jakékoli fyzikální nebo chemické reakce.

"Izotermický proces", což je termodynamický proces, ve kterém teplota systému zůstává konstantní. přenos tepla do nebo ze systému dochází tak pomalu, že tepelná rovnováha je udržovaný. „Thermal“ je termín, který popisuje teplo systému. "Iso" znamená "rovná", takže "izotermální" znamená "stejné teplo", což je to, co definuje tepelnou rovnováhu.

Obecně se během izotermického procesu mění vnitřní energie, tepelná energie, a práce, i když teplota zůstává stejná. Něco v systému pracuje na udržení stejné teploty. Jedním jednoduchým ideálním příkladem je Carnotův cyklus, který v podstatě popisuje, jak tepelný motor pracuje dodáváním tepla do plynu. V důsledku toho se plyn rozpíná ve válci a tlačí píst, aby provedl nějakou práci. Teplo nebo plyn musí být poté vytlačen z válce (nebo vypuštěn), aby mohl proběhnout další cyklus ohřev / expanze. To se například děje uvnitř motoru automobilu. Pokud je tento cyklus zcela účinný, proces je izotermický, protože se teplota udržuje konstantní při změnách tlaku.

Abychom porozuměli základům izotermického procesu, zvažte působení plynů v systému. Vnitřní energie ideální plyn závisí pouze na teplotě, takže změna vnitřní energie během izotermického procesu pro ideální plyn je také 0. V takovém systému veškeré teplo přidávané do systému (plynu) vykonává práci pro udržení izotermického procesu, dokud tlak zůstává konstantní. Při zvažování ideálního plynu v zásadě práce na systému s cílem udržet teplotu znamená, že objem plynu se musí snižovat se zvyšujícím se tlakem na systém.

Izotermické procesy jsou četné a rozmanité. Odpařování vody do vzduchu je stejné, jako je vaření vody v určitém bodu varu. Existuje také mnoho chemických reakcí, které udržují tepelnou rovnováhu, a v biologii jsou interakce buňky s okolními buňkami (nebo jinými látkami) považována za izotermický proces.

Odpařování, tavení a vaření jsou také „fázovými změnami“. To znamená, že se jedná o změny ve vodě (nebo jiných tekutinách nebo plynech), ke kterým dochází při konstantní teplotě a tlaku.

Ve fyzice se mapování takových reakcí a procesů provádí pomocí diagramů (grafů). V fázový diagram, izotermický proces je zmapován sledováním svislé čáry (nebo roviny, ve 3D) fázový diagram) při konstantní teplotě. Tlak a objem se mohou měnit, aby se udržela teplota systému.

Jak se mění, je možné, že látka ji změní stav hmoty i když jeho teplota zůstává konstantní. Odpařování vody tak, jak se vaří, znamená, že teplota zůstává stejná, jako systém mění tlak a objem. Toto je pak zmapováno s temperační zůstatkovou konstantou podél diagramu.

Když vědci studují izotermické procesy v systémech, skutečně zkoumají teplo a energii a spojení mezi nimi a mechanickou energií, kterou potřebuje ke změně nebo udržování teploty a Systém. Takové porozumění pomáhá biologům studovat, jak živé bytosti regulují své teploty. To také přijde do hry ve strojírenství, kosmická věda, planetární věda, geologie, a mnoho jiných odvětví vědy. Termodynamické energetické cykly (a tedy izotermické procesy) jsou základní myšlenkou tepelných motorů. Lidé používají tato zařízení k napájení elektráren a, jak bylo uvedeno výše, automobilů, nákladních automobilů, letadel a dalších vozidel. Kromě toho takové systémy existují na raketách a kosmických lodích. Inženýři používají principy řízení tepla (jinými slovy, řízení teploty) ke zvýšení účinnosti těchto systémů a procesů.

Upraveno a aktualizováno uživatelem Carolyn Collins Petersen.