Mikä on isoterminen prosessi fysiikassa?

Fysiikan tiede tutkii esineitä ja järjestelmiä niiden liikkeiden, lämpötilojen ja muiden fysikaalisten ominaisuuksien mittaamiseksi. Sitä voidaan käyttää mihin tahansa yksisoluisista organismeista mekaanisiin järjestelmiin planeetoihin, tähtiihin ja galakseihin sekä niitä hallitseviin prosesseihin. Fysiikan sisällä termodynamiikka on haara, joka keskittyy muutoksiin energiaa (lämpöä) järjestelmän ominaisuuksissa minkä tahansa fysikaalisen tai kemiallisen reaktion aikana.

"Isoterminen prosessi", joka on termodynaaminen prosessi, jossa järjestelmän lämpötila pysyy vakiona. lämmön siirto järjestelmään tai siitä ulos tapahtuu niin hitaasti, että lämpötasapaino ylläpidetään. "Lämpö" on termi, joka kuvaa järjestelmän lämpöä. "Iso" tarkoittaa "yhtä", joten "isoterminen" tarkoittaa "yhtä suurta lämpöä", mikä määrittelee lämpötasapainon.

Yleensä isotermisen prosessin aikana sisäinen muuttuu energia, lämpöenergiaja työ, vaikka lämpötila pysyy samana. Jokin järjestelmässä toimii yllä saman lämpötilan. Yksi yksinkertainen ihanteellinen esimerkki on Carnot Cycle, joka kuvaa periaatteessa kuinka lämpömoottori toimii toimittamalla lämpöä kaasulle. Seurauksena on, että kaasu laajenee sylinterissä ja se työntää männän tekemään töitä. Lämpö tai kaasu on sitten työnnettävä ulos sylinteristä (tai pudotettava), jotta seuraava lämmitys / paisumisjakso voi tapahtua. Näin tapahtuu esimerkiksi auton moottorin sisällä. Jos tämä jakso on täysin tehokas, prosessi on isoterminen, koska lämpötila pidetään vakiona paineen muuttuessa.

Isotermisen prosessin perusteiden ymmärtämiseksi harkitse kaasujen vaikutusta järjestelmään. Sisäisen energian ihanteellinen kaasu riippuu yksinomaan lämpötilasta, joten muutos sisäisessä energiassa isotermisen prosessin aikana ihanteellinen kaasu on myös 0. Tällaisessa järjestelmässä kaikki järjestelmään (kaasun) lisätty lämpö suorittaa työtä isotermisen prosessin ylläpitämiseksi, kunhan paine pysyy vakiona. Pohjimmiltaan, kun harkitaan ihanteellista kaasua, järjestelmässä lämpötilan ylläpitämiseksi tehty työ tarkoittaa, että kaasun tilavuuden on laskettava järjestelmän paineen kasvaessa.

Isotermiset prosessit ovat monia ja erilaisia. Veden haihtuminen ilmaan on yhtä kuin veden kiehuminen tietyssä kiehumispisteessä. On myös monia kemiallisia reaktioita, jotka ylläpitävät lämpötasapainoa, ja biologiassa solun vuorovaikutuksen ympäröivien solujen (tai muun aineen) kanssa sanotaan olevan isoterminen prosessi.

Haihtuminen, sulaminen ja kiehuminen ovat myös "vaihemuutoksia". Eli, ne ovat muutoksia veteen (tai muihin nesteisiin tai kaasuihin), jotka tapahtuvat vakiona lämpötilassa ja paineessa.

Fysiikassa tällaisten reaktioiden ja prosessien kartoitus tehdään kaavioiden (kuvaajien) avulla. Jonkin sisällä vaihekaavio, isoterminen prosessi kartoitetaan seuraamalla pystysuoraa viivaa (tai tasoa) 3D: ssä vaihekaavio) vakiolämpötilassa. Paine ja tilavuus voivat muuttua järjestelmän lämpötilan ylläpitämiseksi.

Kun ne muuttuvat, aineella on mahdollisuus muuttaa aineen tila jopa sen lämpötilan ollessa vakio. Siksi veden haihtuminen kiehuessaan tarkoittaa, että lämpötila pysyy samana kuin järjestelmä muuttaa paineen ja tilavuuden. Tämä kaavaillaan sitten lämpötilan pysyessä vakiona kaaviossa.

Kun tutkijat tutkivat isotermisiä prosesseja järjestelmissä, he todella tutkivat lämpöä ja energiaa ja yhteys niiden ja mekaanisen energian välillä, joka tarvitaan lämpötilan muuttamiseen tai ylläpitämiseen järjestelmään. Tällainen ymmärtäminen auttaa biologia tutkimaan kuinka elävät olennot säätelevät lämpötilojaan. Se tulee myös esille tekniikan, avaruustieteiden, planeettatieteiden, geologian ja monien muiden tieteen alojen parissa. Lämpömoottorien perusajatuksena ovat termodynaamiset tehosyklit (ja siten isotermiset prosessit). Ihmiset käyttävät näitä laitteita voimalaitosten ja, kuten edellä mainittiin, autojen, kuorma-autojen, lentokoneiden ja muiden ajoneuvojen virrankäyttöön. Lisäksi tällaisia ​​järjestelmiä on raketteissa ja avaruusaluksissa. Insinöörit soveltavat lämmönhallinnan (toisin sanoen lämpötilanhallinnan) periaatteita näiden järjestelmien ja prosessien tehokkuuden lisäämiseksi.

Toimittanut ja päivittänyt Carolyn Collins Petersen.