le processus isotherme ou isotherme est un processus thermodynamique réversible dans lequel la température reste constante. Dans un gaz, il existe des situations dans lesquelles une modification du système ne produit pas de variations de température, mais de caractéristiques physiques..
Ces changements sont les changements de phase, lorsque la substance passe du solide au liquide, du liquide au gaz ou vice versa. Dans de tels cas, les molécules de la substance réajustent leur position, ajoutant ou extrayant de l'énergie thermique..
L'énergie thermique requise pour qu'un changement de phase se produise dans une substance est appelée chaleur latente ou chaleur de transformation..
Une façon de rendre un procédé isotherme est de mettre en contact la substance qui sera le système à l'étude avec un réservoir thermique externe, qui est un autre système à haute capacité calorique. De cette manière, un échange thermique si lent se produit que la température reste constante..
Ce type de processus se produit fréquemment dans la nature. Par exemple, chez les êtres humains, lorsque la température corporelle augmente ou diminue, nous nous sentons malades, car dans notre corps, de nombreuses réactions chimiques qui maintiennent la vie ont lieu à une température constante. Ceci est valable pour les animaux à sang chaud en général..
D'autres exemples sont la glace qui fond à la chaleur lorsque le printemps arrive et les glaçons qui refroidissent la boisson..
Index des articles
-Le métabolisme des animaux à sang chaud se déroule à température constante.
-Lorsque l'eau bout, un changement de phase se produit, du liquide au gaz, et la température reste constante à environ 100 ° C, car d'autres facteurs peuvent influencer la valeur.
-La fonte de la glace est un autre processus isotherme courant, tout comme le fait de placer de l'eau dans le congélateur pour fabriquer des glaçons..
-Les moteurs d'automobile, les réfrigérateurs, ainsi que de nombreux autres types de machines, fonctionnent correctement dans une certaine plage de température. Appareils appelés thermostats. Différents principes de fonctionnement sont utilisés dans sa conception.
Un moteur Carnot est une machine idéale à partir de laquelle le travail est obtenu grâce à des procédés entièrement réversibles. C'est une machine idéale car elle ne prend pas en compte les processus qui dissipent de l'énergie, comme la viscosité de la substance qui fait le travail, ni le frottement.
Le cycle de Carnot se compose de quatre étapes, dont deux sont précisément isothermes et les deux autres sont adiabatiques. Les étapes isothermes sont la compression et l'expansion d'un gaz qui est responsable de la production d'un travail utile.
Un moteur de voiture fonctionne selon des principes similaires. Le mouvement d'un piston à l'intérieur du cylindre est transmis à d'autres parties de la voiture et produit un mouvement. Il n'a pas le comportement d'un système idéal tel que le moteur Carnot, mais les principes thermodynamiques sont communs.
Pour calculer le travail effectué par un système lorsque la température est constante, il faut utiliser la première loi de la thermodynamique, qui stipule:
ΔU = Q - W
C'est une autre façon d'exprimer la conservation de l'énergie dans le système, présentée à travers ΔU ou changement d'énergie, Q comme la chaleur fournie et enfin W, quel est le travail effectué par ledit système.
Supposons que le système en question soit un gaz parfait contenu dans le cylindre d'un piston mobile de surface À, qui fonctionne quand son volume V changement de V1 à Vdeux.
L'équation d'état des gaz parfaits est PV = nRT, qui relie le volume à la pression P et la température T. Les valeurs de n et R sont constantes: n est le nombre de moles du gaz et R la constante des gaz. Dans le cas d'un procédé isotherme, le produit PV c'est constant.
Eh bien, le travail effectué est calculé en intégrant un petit travail différentiel, dans lequel une force F produit un petit décalage dx:
dW = Fdx = PAdx
Quoi Adx est précisément la variation du volume dV, ensuite:
dW = PdV
Pour obtenir le travail total dans un processus isotherme, nous intégrons l'expression pour dW:
La pression P et le volume V sont représentés graphiquement dans un diagramme P-V comme indiqué sur la figure et le travail effectué est égal à l'aire sous la courbe:
Quoi ΔU = 0 comme la température reste constante, dans un processus isotherme, il faut:
Q = W
Un cylindre équipé d'un piston mobile contient un gaz parfait à 127 ºC. Si le piston se déplace pour réduire le volume initial 10 fois, en maintenant la température constante, trouvez le nombre de moles de gaz contenu dans le cylindre, si le travail effectué sur le gaz est de 38180 J.
Fait: R = 8,3 J / mol. K
La déclaration indique que la température reste constante, donc nous sommes en présence d'un processus isotherme. Pour le travail effectué sur le gaz, nous avons l'équation précédemment déduite:
127 º C = 127 + 273 K = 400 K
Résolvez pour n, le nombre de moles:
n = W / RT ln (V2 / V1) = -38 180 J / 8,3 J / mol. K x 400 K x ln (Vdeux/ 10Vdeux) = 5 moles
Le travail était précédé d'un signe négatif. Le lecteur attentif aura remarqué dans la section précédente que W a été défini comme "travail effectué par le système" et a un signe +. Le "travail effectué sur le système" a donc un signe négatif.
Vous avez de l'air dans un cylindre équipé d'un piston. Au départ, il y a 0,4 m3 de gaz sous pression 100 kPa et 80ºC de température. L'air est comprimé à 0,1 m3 s'assurer que la température à l'intérieur du cylindre reste constante pendant le processus.
Déterminez la quantité de travail effectuée au cours de ce processus.
Nous utilisons l'équation pour les travaux précédemment dérivés, mais le nombre de moles est inconnu, ce qui peut être calculé avec l'équation des gaz parfaits:
80 ° C = 80 + 273 K = 353 K.
P1V1 = n.R.T → n = P1V1 / RT = 100000 Pa x 0,4 m3 /8,3 J / mol. K x 353 K = 13,65 mol
W = n.R.T ln (Vdeux/ V1) = 13,65 mol x 8,3 J / mol. K x 353 K x ln (0,1 / 0,4) = -55 442,26 J
Encore une fois, le signe négatif indique que des travaux ont été effectués sur le système, ce qui se produit toujours lorsque le gaz est comprimé.
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