Wat is een thermodynamisch proces? Veelgestelde vragen over natuurkunde

Een systeem ondergaat een thermodynamisch proces wanneer er een soort van energetische verandering in het systeem is, meestal geassocieerd met veranderingen in druk, volume, interne energie, temperatuur of iets anders warmteoverdracht.

Er zijn verschillende specifieke soorten thermodynamische processen die vaak genoeg plaatsvinden (en in praktische situaties) dat ze vaak worden behandeld in de studie van thermodynamica. Elk heeft een unieke eigenschap die het identificeert en die nuttig is bij het analyseren van de energie- en werkveranderingen die verband houden met het proces.

• Adiabatisch proces - een proces zonder warmteoverdracht naar of uit het systeem.
• Isochorisch proces - een proces zonder volumeverandering, in welk geval het systeem niet werkt.
• Isobaar proces - een proces zonder drukverandering.
• Isotherm proces - een proces zonder temperatuurverandering.

Het is mogelijk om meerdere processen binnen één proces te hebben. Het meest voor de hand liggende voorbeeld zou een geval zijn waarin volume en druk veranderen, wat resulteert in geen verandering in temperatuur of warmteoverdracht - een dergelijk proces zou zowel adiabatisch als isotherm zijn.

In wiskundige termen is de eerste wet van de thermodynamica kan worden geschreven als:

delta- U = Q - W. of Q = delta- U + W.
waar

• delta-U = systeemverandering in interne energie
• Q = warmte overgedragen naar of uit het systeem.
• W. = werk gedaan door of aan het systeem.

Bij het analyseren van een van de speciale thermodynamische processen die hierboven zijn beschreven, vinden we vaak (hoewel niet altijd) een zeer gelukkige uitkomst - een van deze hoeveelheden vermindert tot nul!

In een adiabatisch proces is er bijvoorbeeld geen warmteoverdracht, dus Q = 0, resulterend in een zeer duidelijke relatie tussen de interne energie en werk: delta-Q = -W.. Zie de individuele definities van deze processen voor meer specifieke details over hun unieke eigenschappen.

De meeste thermodynamische processen verlopen op natuurlijke wijze van de ene richting naar de andere. Met andere woorden, ze hebben een voorkeursrichting.

Warmte stroomt van een heter naar een kouder object. Gassen zetten uit om een ​​ruimte te vullen, maar zullen niet spontaan samentrekken om een ​​kleinere ruimte te vullen. Mechanische energie kan volledig worden omgezet in warmte, maar het is vrijwel onmogelijk om warmte volledig om te zetten in mechanische energie.

Sommige systemen ondergaan echter een omkeerbaar proces. Over het algemeen gebeurt dit wanneer het systeem altijd in de buurt van thermisch evenwicht is, zowel in het systeem zelf als in elke omgeving. In dit geval kunnen oneindig kleine wijzigingen in de systeemcondities ervoor zorgen dat het proces de andere kant op gaat. Als zodanig is een omkeerbaar proces ook bekend als een evenwichtsproces.

Voorbeeld 1: Twee metalen (A en B) zijn in thermisch contact en thermisch evenwicht. Metaal A wordt oneindig klein verhit, zodat er warmte uit stroomt naar metaal B. Dit proces kan worden omgekeerd door A een heel kleine hoeveelheid af te koelen, waarna warmte van B naar A begint te stromen totdat ze weer in thermisch evenwicht zijn.

Voorbeeld 2: Een gas wordt langzaam en adiabatisch uitgebreid in een omkeerbaar proces. Door de druk met een zeer kleine hoeveelheid te verhogen, kan hetzelfde gas langzaam en adiabatisch terugpersen naar de begintoestand.

Opgemerkt moet worden dat dit enigszins geïdealiseerde voorbeelden zijn. Voor praktische doeleinden houdt een systeem dat in thermisch evenwicht is, niet meer in thermisch evenwicht zodra een van deze veranderingen wordt geïntroduceerd... dus het proces is niet echt volledig omkeerbaar. Het is een geïdealiseerd model van hoe een dergelijke situatie zou plaatsvinden, hoewel met zorgvuldige controle van experimentele omstandigheden een proces kan worden uitgevoerd dat uiterst dicht bij volledig omkeerbaar is.

De meeste processen zijn dat natuurlijk onomkeerbare processen (of niet-evenwichtsprocessen). Het gebruik van de wrijving van uw remmen voor uw auto is een onomkeerbaar proces. Lucht uit een ballon in de kamer laten ontsnappen is een onomkeerbaar proces. Het plaatsen van een ijsblok op een hete betonnen loopbrug is een onomkeerbaar proces.

Over het algemeen zijn deze onomkeerbare processen een gevolg van de tweede wet van de thermodynamica, die vaak wordt gedefinieerd in termen van de entropieof stoornis van een systeem.

Er zijn verschillende manieren om de tweede wet van de thermodynamica te formuleren, maar in feite legt het een beperking op aan hoe efficiënt elke warmteoverdracht kan zijn. Volgens de tweede wet van de thermodynamica zal er altijd wat warmte verloren gaan in het proces, en daarom is het niet mogelijk om een ​​volledig omkeerbaar proces in de echte wereld te hebben.

We noemen elk apparaat dat warmte gedeeltelijk omzet in werk of mechanische energie een warmte motor. Een warmtemotor doet dit door warmte van de ene plaats naar de andere over te brengen en onderweg wat werk te doen.

Met behulp van thermodynamica is het mogelijk om de thermische efficiëntie van een warmtemotor, en dat is een onderwerp dat wordt behandeld in de meeste inleidende natuurkundecursussen. Hier zijn enkele warmtemotoren die vaak worden geanalyseerd in natuurkundecursussen:

• Interne combinatie-engine - Een brandstofaangedreven motor zoals die in auto's wordt gebruikt. De "Otto-cyclus" definieert het thermodynamische proces van een gewone benzinemotor. De "dieselcyclus" verwijst naar dieselmotoren.
• Koelkast - Een warmtemotor in omgekeerde richting, de koelkast neemt warmte op van een koude plaats (in de koelkast) en brengt deze over naar een warme plaats (buiten de koelkast).
• Warmtepomp - Een warmtepomp is een type warmtepomp, vergelijkbaar met een koelkast, die wordt gebruikt om gebouwen te verwarmen door de buitenlucht te koelen.

In 1924 creëerde de Franse ingenieur Sadi Carnot een geïdealiseerde, hypothetische motor met de hoogst mogelijke efficiëntie in overeenstemming met de tweede wet van de thermodynamica. Hij kwam tot de volgende vergelijking voor zijn efficiëntie, e_Carnot:

e_Carnot = ( T_H - T_C) / T_H

T_H en T_C zijn respectievelijk de temperaturen van de warme en koude reservoirs. Met een zeer groot temperatuurverschil haal je een hoog rendement. Een laag rendement komt als het temperatuurverschil laag is. U krijgt alleen een efficiëntie van 1 (100% efficiëntie) als T_C = 0 (d.w.z. absolute waarde) wat onmogelijk is.