กระบวนการไอโซเทอร์มอลคืออะไร? (ตัวอย่างแบบฝึกหัด) - กายภาพ - 2026

กระบวนการไอโซเทอร์มอลหรือไอโซเทอร์มอลเป็นกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์แบบผันกลับได้ซึ่งอุณหภูมิจะคงที่ ในก๊าซมีบางสถานการณ์ที่การเปลี่ยนแปลงในระบบไม่ได้ทำให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง แต่เกิดขึ้นในลักษณะทางกายภาพ

การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เป็นการเปลี่ยนแปลงเฟสเมื่อสารเปลี่ยนจากของแข็งเป็นของเหลวจากของเหลวเป็นก๊าซหรือในทางกลับกัน ในกรณีเช่นนี้โมเลกุลของสารจะปรับตำแหน่งใหม่เพิ่มหรือดึงพลังงานความร้อน

รูปที่ 1. น้ำแข็งละลายเป็นตัวอย่างของกระบวนการความร้อนใต้พิภพ ที่มา: Pixabay

พลังงานความร้อนที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนเฟสที่จะเกิดขึ้นในสารเรียกว่าความร้อนแฝงหรือความร้อนจากการเปลี่ยนรูป

วิธีหนึ่งในการสร้างกระบวนการไอโซเทอร์มอลคือการนำสารที่จะเป็นระบบที่อยู่ระหว่างการศึกษาไปสัมผัสกับอ่างเก็บน้ำความร้อนภายนอกซึ่งเป็นอีกระบบหนึ่งที่มีความจุแคลอรี่สูง ด้วยวิธีนี้การแลกเปลี่ยนความร้อนที่ช้าเช่นนี้เกิดขึ้นโดยที่อุณหภูมิยังคงที่

กระบวนการประเภทนี้เกิดขึ้นบ่อยในธรรมชาติ ตัวอย่างเช่นในมนุษย์เมื่ออุณหภูมิของร่างกายสูงขึ้นหรือลดลงเราจะรู้สึกไม่สบายเพราะในร่างกายของเราปฏิกิริยาทางเคมีหลายอย่างที่รักษาชีวิตจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิคงที่ นี่เป็นเรื่องจริงสำหรับสัตว์เลือดอุ่นโดยทั่วไป

ตัวอย่างอื่น ๆ ได้แก่ น้ำแข็งที่ละลายในความร้อนเมื่อฤดูใบไม้ผลิมาถึงและก้อนน้ำแข็งที่ทำให้เครื่องดื่มเย็นลง

- การเผาผลาญของสัตว์เลือดอุ่นจะดำเนินการที่อุณหภูมิคงที่

รูปที่ 2. สัตว์เลือดอุ่นมีกลไกในการรักษาอุณหภูมิให้คงที่ ที่มา: Wikimedia Commons

- เมื่อน้ำเดือดการเปลี่ยนเฟสจะเกิดขึ้นจากของเหลวเป็นก๊าซและอุณหภูมิจะคงที่ประมาณ 100 º C เนื่องจากปัจจัยอื่น ๆ อาจมีผลต่อค่าได้

- การหลอมน้ำแข็งเป็นอีกกระบวนการหนึ่งที่ใช้ความร้อนใต้พิภพเช่นเดียวกับการใส่น้ำในช่องแช่แข็งเพื่อทำน้ำแข็งก้อน

- เครื่องยนต์ยานยนต์ตู้เย็นและเครื่องจักรประเภทอื่น ๆ ทำงานได้อย่างถูกต้องในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด อุปกรณ์ที่เรียกว่าเทอร์โมสตรัทใช้เพื่อรักษาอุณหภูมิที่เหมาะสม หลักการปฏิบัติต่างๆถูกนำมาใช้ในการออกแบบ

วงจร Carnot

เครื่องยนต์คาร์โนต์เป็นเครื่องจักรในอุดมคติที่ได้รับจากกระบวนการที่ย้อนกลับได้ทั้งหมด เป็นเครื่องจักรในอุดมคติเพราะไม่พิจารณากระบวนการที่กระจายพลังงานเช่นความหนืดของสารที่ทำงานหรือแรงเสียดทาน

วัฏจักรคาร์โนต์ประกอบด้วยสี่ขั้นตอนซึ่งสองขั้นตอนคือความร้อนใต้พิภพอย่างแม่นยำและอีกสองขั้นตอนคืออะเดียแบติก ขั้นตอนความร้อนคือการบีบอัดและการขยายตัวของก๊าซที่รับผิดชอบในการผลิตงานที่มีประโยชน์

เครื่องยนต์ของรถยนต์ทำงานบนหลักการที่คล้ายคลึงกัน การเคลื่อนที่ของลูกสูบภายในกระบอกสูบจะถูกส่งไปยังส่วนอื่น ๆ ของรถและทำให้เกิดการเคลื่อนที่ ไม่มีลักษณะการทำงานของระบบในอุดมคติเหมือนเครื่องยนต์ Carnot แต่หลักการทางอุณหพลศาสตร์เป็นเรื่องธรรมดา

การคำนวณงานที่ทำในกระบวนการความร้อนใต้พิภพ

ในการคำนวณงานที่ระบบทำเมื่ออุณหภูมิคงที่เราต้องใช้กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ซึ่งระบุว่า:

นี่เป็นอีกวิธีหนึ่งในการแสดงออกถึงการอนุรักษ์พลังงานในระบบโดยนำเสนอผ่านΔUหรือการเปลี่ยนแปลงพลังงาน Q เป็นความร้อนที่จ่ายและสุดท้าย W ซึ่งเป็นงานที่ทำโดยระบบดังกล่าว

สมมติว่าระบบดังกล่าวเป็นก๊าซในอุดมคติที่บรรจุอยู่ในกระบอกสูบของลูกสูบเคลื่อนที่ของพื้นที่ A ซึ่งจะทำงานเมื่อปริมาตร V เปลี่ยนจาก V ₁เป็น V ₂

รูปที่ 3 ในกระบวนการไอโซเทอร์มอลก๊าซจะขยายตัวในลูกสูบโดยไม่เปลี่ยนอุณหภูมิ ที่มา: youtube.

สมการของแก๊สในอุดมคติคือ PV = nRT ซึ่งสัมพันธ์กับปริมาตรกับความดัน P และอุณหภูมิ T ค่าของ n และ R เป็นค่าคงที่: n คือจำนวนโมลของก๊าซและ R คือค่าคงที่ของก๊าซ ในกรณีของกระบวนการไอโซเทอร์มอลผลิตภัณฑ์ PV จะคงที่

งานที่ทำคำนวณโดยการรวมงานที่แตกต่างขนาดเล็กซึ่งแรง F จะสร้างการกระจัดขนาดเล็ก dx:

เนื่องจาก Adx เป็น dV รูปแบบปริมาตรที่แม่นยำดังนั้น:

เพื่อให้ได้งานทั้งหมดในกระบวนการความร้อนเรารวมนิพจน์สำหรับ dW:

ความดัน P และปริมาตร V ถูกพล็อตบนแผนภาพ PV เหมือนที่แสดงในรูปและงานที่ทำจะเท่ากับพื้นที่ใต้เส้นโค้ง:

รูปที่ 4. แผนภาพ PV ของกระบวนการความร้อนใต้พิภพ ที่มา: Wikimedia Commons

เนื่องจากΔU = 0 เนื่องจากอุณหภูมิยังคงที่ในกระบวนการความร้อนใต้พิภพเราจึงมี:

- แบบฝึกหัด 1

กระบอกสูบที่ติดตั้งลูกสูบเคลื่อนที่บรรจุก๊าซในอุดมคติที่127ºC ถ้าลูกสูบเคลื่อนที่เพื่อลดปริมาตรเริ่มต้น 10 เท่าโดยรักษาอุณหภูมิให้คงที่ให้หาจำนวนโมลของก๊าซที่บรรจุอยู่ในกระบอกสูบถ้างานที่ทำกับแก๊สเท่ากับ 38,180 J

ข้อมูล : R = 8.3 J / mol เค

สารละลาย

ข้อความระบุว่าอุณหภูมิยังคงคงที่ดังนั้นเราจึงอยู่ในกระบวนการความร้อนใต้พิภพ สำหรับงานที่ทำกับก๊าซเรามีสมการอนุมานก่อนหน้านี้:

127 º C = 127 + 273 K = 400 K

แก้สำหรับ n จำนวนโมล:

n = W / RT ln (V2 / V1) = -38 180 J / 8.3 J / mol K x 400 K x ln (V ₂ / 10V ₂ ) = 5 โมล

งานถูกนำหน้าด้วยเครื่องหมายลบ ผู้อ่านที่ใส่ใจจะสังเกตเห็นในส่วนก่อนหน้านี้ว่า W ถูกกำหนดให้เป็น“ งานที่ระบบทำ” และมีเครื่องหมาย + ดังนั้น "งานที่ทำในระบบ" จึงมีเครื่องหมายลบ

- แบบฝึกหัด 2

คุณมีอากาศในกระบอกสูบที่ติดตั้งลูกสูบ เริ่มแรกมีก๊าซ0.4 m ³ที่ความดัน 100 kPa และอุณหภูมิ80ºC อากาศถูกบีบอัดถึง 0.1 ม. ³เพื่อให้แน่ใจว่าอุณหภูมิภายในกระบอกสูบยังคงที่ในระหว่างกระบวนการ

กำหนดปริมาณงานที่ต้องทำในระหว่างกระบวนการนี้

สารละลาย

เราใช้สมการสำหรับงานที่ได้มาก่อนหน้านี้ แต่ไม่ทราบจำนวนโมลซึ่งสามารถคำนวณได้ด้วยสมการของก๊าซในอุดมคติ:

80 º C = 80 + 273 K = 353 เค

P ₁ V ₁ = nRT → n = P ₁ V ₁ / RT = 100000 Pa x 0.4 m ³ /8.3 J / mol K x 353 K = 13.65 โมล

W = nRT ln (V ₂ / V ₁ ) = 13.65 mol x 8.3 J / mol K x 353 K x ln (0.1 /0.4) = -55.442.26 J

เครื่องหมายลบอีกครั้งบ่งชี้ว่ามีการทำงานในระบบซึ่งมักเกิดขึ้นเมื่อมีการบีบอัดก๊าซ

อ้างอิง

1. Bauer, W. 2011. Physics for Engineering and Sciences. เล่มที่ 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2555. อุณหพลศาสตร์. รุ่น7 ^ma McGraw Hill
3. Figueroa, D. (2005). ซีรี่ส์: ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม เล่ม 4. ของไหลและอุณหพลศาสตร์. แก้ไขโดย Douglas Figueroa (USB)
4. Knight, R. 2017 Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach.
5. Serway, R. , Vulle, C. 2011. ความรู้พื้นฐานทางฟิสิกส์. 9 ^naเรียนรู้คลิกที่นี่
6. วิกิพีเดีย กระบวนการไอโซเทอร์มอล สืบค้นจาก: en.wikipedia.org.