Hvad er en isotermisk proces i fysik?

Videnskaben om fysik studerer objekter og systemer for at måle deres bevægelser, temperaturer og andre fysiske egenskaber. Det kan anvendes til alt fra encellede organismer til mekaniske systemer til planeter, stjerner og galakser og de processer, der styrer dem. Inden for fysik, termodynamik er en gren, der koncentrerer sig om ændringer af energi (varme) i egenskaberne ved et system under enhver fysisk eller kemisk reaktion.

Den "isotermiske proces", som er en termodynamisk proces, hvor temperaturen i et system forbliver konstant. Det overførsel af varme ind eller ud af systemet sker så langsomt, at termisk ligevægt opretholdes. "Termisk" er et udtryk, der beskriver et systems varme. "Iso" betyder "lige", så "isotermisk" betyder "lige stor varme", hvilket er det, der definerer termisk ligevægt.

Generelt sker der en intern ændring under en isotermisk proces energi, varmeenergi, og arbejde, selvom temperaturen forbliver den samme. Noget i systemet fungerer for at opretholde den lige temperatur. Et enkelt ideelt eksempel er Carnot Cycle, der dybest set beskriver, hvordan en varmemotor fungerer ved at tilføre varme til en gas. Som et resultat ekspanderer gassen i en cylinder, og det skubber et stempel til at udføre noget arbejde. Varmen eller gassen skal derefter skubbes ud af cylinderen (eller dumpes), så den næste varme / ekspansionscyklus kan finde sted. Det er, hvad der sker inden i en bilmotor. Hvis denne cyklus er fuldstændig effektiv, er processen isoterm, fordi temperaturen holdes konstant, mens trykket ændres.

For at forstå det grundlæggende i den isotermiske proces skal du overveje virkningen af ​​gasser i et system. Den indre energi i en ideel gas afhænger udelukkende af temperaturen, så ændringen i den indre energi under en isotermisk proces for en ideel gas er også 0. I et sådant system udfører al varme, der tilføjes et system (af gas) arbejde for at opretholde den isotermiske proces, så længe trykket forbliver konstant. Når man overvejer en ideel gas, betyder arbejde, der udføres på systemet for at opretholde temperaturen, væsentligt, at volumen af ​​gassen skal falde, når trykket på systemet øges.

Isotermiske processer er mange og varierede. Fordampning af vand i luften er en, ligesom kogning af vand ved et specifikt kogepunkt. Der er også mange kemiske reaktioner, der opretholder termisk ligevægt, og inden for biologi siges interaktion af en celle med dens omgivende celler (eller andet stof) at være en isotermisk proces.

Fordampning, smeltning og kogning er også "faseændringer". Det vil sige, det er ændringer i vand (eller andre væsker eller gasser), der finder sted ved konstant temperatur og tryk.

I fysik kortlægges sådanne reaktioner og processer ved hjælp af diagrammer (grafer). I en fasediagram, er en isotermisk proces kortlagt ved at følge en lodret linje (eller plan, i en 3D) fasediagram) langs en konstant temperatur. Trykket og volumen kan ændres for at opretholde temperaturen i systemet.

Når de ændrer sig, er det muligt for et stof at ændre dets sagen selvom temperaturen forbliver konstant. Fordampningen af ​​vand, når det koger, betyder således, at temperaturen forbliver den samme, da systemet ændrer tryk og volumen. Dette kortlægges derefter, hvor tempereringen forbliver konstant langs diagrammet.

Når forskere studerer isotermiske processer i systemer, undersøger de virkelig varme og energi og forbindelsen mellem dem og den mekaniske energi, det tager for at ændre eller opretholde temperaturen på a system. En sådan forståelse hjælper biologer med at studere, hvordan levende væsener regulerer deres temperatur. Det kommer også i spil inden for engineering, rumvidenskab, planetvidenskab, geologi og mange andre grene af videnskab. Termodynamiske kraftcyklusser (og dermed isotermiske processer) er den grundlæggende idé bag varmemotorer. Mennesker bruger disse enheder til at drive elektriske generatoranlæg og, som nævnt ovenfor, biler, lastbiler, fly og andre køretøjer. Derudover findes sådanne systemer på raketter og rumfartøjer. Ingeniører anvender principper for termisk styring (med andre ord temperaturstyring) for at øge effektiviteten af ​​disse systemer og processer.

Redigeret og opdateret af Carolyn Collins Petersen.