İZOTERMAL SÜREÇ NEDIR? (ÖRNEKLER, ALIŞTIRMALAR) - FIZIKSEL - 2025

İzotermal bir deyişle izoterm işlem sıcaklığı sabit kalmaktadır olan bir tersine çevrilebilir bir termodinamik bir süreçtir. Bir gazda, sistemdeki bir değişikliğin sıcaklıkta değişiklik yaratmadığı, ancak fiziksel özelliklerde yaptığı durumlar vardır.

Bu değişiklikler, madde katıdan sıvıya, sıvıdan gaza veya tersi durumdaki faz değişimleridir. Bu gibi durumlarda, maddenin molekülleri konumlarını yeniden ayarlar, termal enerji ekler veya çıkarır.

Şekil 1. Eritilen buz sarkıtları, izotermal işlemlere bir örnektir. Kaynak: Pixabay.

Bir maddede faz değişiminin meydana gelmesi için gereken termal enerjiye gizli ısı veya dönüşüm ısısı denir.

Bir işlemi izotermal yapmanın bir yolu, incelenen sistem olacak maddeyi, büyük bir kalori kapasitesine sahip başka bir sistem olan harici bir termal rezervuar ile temas ettirmektir. Bu şekilde, sıcaklık sabit kalacak kadar yavaş bir ısı değişimi meydana gelir.

Bu tür bir süreç doğada sıklıkla meydana gelir. Örneğin, insanlarda vücut ısısı yükseldiğinde veya düştüğünde hasta hissederiz, çünkü vücudumuzda hayatı sürdüren birçok kimyasal reaksiyon sabit bir sıcaklıkta gerçekleşir. Bu genel olarak sıcakkanlı hayvanlar için geçerlidir.

Diğer örnekler, bahar geldiğinde sıcakta eriyen buz ve içeceği soğutan buz küpleridir.

-Sıcak kanlı hayvanların metabolizması sabit bir sıcaklıkta gerçekleştirilir.

Şekil 2. Sıcakkanlı hayvanların sıcaklığı sabit tutacak mekanizmaları vardır. Kaynak: Wikimedia Commons.

-Su kaynadığında sıvıdan gaza faz değişimi olur ve diğer faktörler değeri etkileyebileceğinden sıcaklık yaklaşık 100ºC'de sabit kalır.

Buz eritmek, buz küpleri yapmak için dondurucuya su koymak gibi yaygın bir diğer izotermal işlemdir.

-Otomotiv motorları, buzdolapları ve diğer birçok makine türü, belirli bir sıcaklık aralığında doğru şekilde çalışır. Uygun sıcaklığı korumak için termostat adı verilen cihazlar kullanılır. Tasarımında çeşitli çalışma prensipleri kullanılmaktadır.

Carnot döngüsü

Bir Carnot motoru, tamamen tersine çevrilebilir süreçler sayesinde işin elde edildiği ideal bir makinedir. İdeal bir makinedir, çünkü işi yapan maddenin viskozitesi veya sürtünme gibi enerjiyi yayan süreçleri dikkate almaz.

Carnot döngüsü, ikisi tam olarak izotermal, diğer ikisi adyabatik olmak üzere dört aşamadan oluşur. İzotermal aşamalar, faydalı iş üretmekten sorumlu olan bir gazın sıkıştırılması ve genleşmesidir.

Bir araba motoru da benzer prensiplerle çalışır. Bir pistonun silindir içindeki hareketi arabanın diğer kısımlarına iletilir ve hareket üretir. Carnot motoru gibi ideal bir sistemin davranışına sahip değildir, ancak termodinamik prensipler yaygındır.

İzotermal bir süreçte yapılan işin hesaplanması

Sıcaklık sabitken bir sistem tarafından yapılan işi hesaplamak için, termodinamiğin birinci yasasını kullanmalıyız.

Bu, sistemdeki enerjinin korunumunu ifade etmenin başka bir yoludur, ΔU veya enerjideki değişim, sağlanan ısı olarak Q ve son olarak da söz konusu sistem tarafından yapılan iştir.

Söz konusu sistemin, hacmi V, V _1'den V _2'ye değiştiğinde çalışan, hareketli bir pistonun silindirinde bulunan ideal bir gaz olduğunu varsayalım _.

Şekil 3. İzotermal bir süreçte gaz, sıcaklığı değiştirmeden piston içinde genişler. Kaynak: youtube.

İdeal gaz hal denklemi, hacmi P basıncı ve T sıcaklığı ile ilişkilendiren PV = nRT'dir. N ve R'nin değerleri sabittir: n, gazın mol sayısıdır ve R, gazların sabitidir. İzotermal proses durumunda, PV ürünü sabittir.

Yapılan iş, küçük bir diferansiyel işi entegre ederek hesaplanır, burada bir F kuvveti küçük bir yer değiştirme dx üretir:

Adx tam olarak hacim değişimi dV olduğundan, o zaman:

Toplam işi bir izotermal süreçte elde etmek için, dW ifadesini entegre ediyoruz:

Basınç P ve hacim V, şekilde gösterildiği gibi bir PV diyagramında çizilir ve yapılan iş eğrinin altındaki alana eşittir:

Şekil 4. İzotermal bir sürecin PV diyagramı. Kaynak: Wikimedia Commons.

ΔU = 0 olduğundan, sıcaklık sabit kaldığı için, izotermal bir süreçte:

- 1. Egzersiz

Hareketli bir pistonla donatılmış bir silindir, 127ºC'de ideal bir gaz içerir. Piston, ilk hacmi 10 kat azaltmak için hareket ederse, sıcaklığı sabit tutarak, gaz üzerinde yapılan iş 38.180 J ise, silindirde bulunan gazın mol sayısını bulun.

Veriler : R = 8,3 J / mol. K

Çözüm

Açıklama, sıcaklığın sabit kaldığını, bu nedenle izotermal bir sürecin varlığındayız. Gaz üzerinde yapılan iş için daha önce çıkarılmış denklemimiz var:

127 º C = 127 + 273 K = 400 K

N'yi çözün, mol sayısı:

n = W / RT ln (V2 / V1) = -38180 J / 8,3 J / mol. K x 400 K x ln (V ₂ / 10V ₂ ) = 5 mol

Çalışmadan önce negatif bir işaret vardı. Dikkatli okuyucu, önceki bölümde W'nin "sistem tarafından yapılan iş" olarak tanımlandığını ve bir + işaretine sahip olduğunu fark etmiş olacaktır. Yani "sistem üzerinde yapılan iş" negatif işarete sahiptir.

- Egzersiz 2

Pistonlu bir silindirde hava var. Başlangıçta 0.4m vardır ³ 100 kPa basınçta ve 80 ° C sıcaklıkta gaz. Hava, 0,1 m sıkıştırılmaktadır ³ silindir içindeki sıcaklık işlemi sırasında sabit kalmasını sağlamış olur.

Bu işlem sırasında ne kadar iş yapıldığını belirleyin.

Çözüm

Denklemi daha önce türetilen işler için kullanıyoruz, ancak ideal gaz denklemiyle hesaplanabilen mol sayısı bilinmiyor:

80 º C = 80 + 273 K = 353 K.

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 mol

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

Yine eksi işareti, sistem üzerinde her zaman gaz sıkıştırıldığında gerçekleşen işin yapıldığını gösterir.

Referanslar

1. Bauer, W. 2011. Mühendislik ve Bilimler için Fizik. Cilt 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamik. 7 ^ma Sürümü. McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Seri: Bilim ve Mühendislik için Fizik. Cilt 4. Akışkanlar ve Termodinamik. Douglas Figueroa (USB) tarafından düzenlendi.
4. Knight, R. 2017. Bilim Adamları ve Mühendislik için Fizik: Bir Strateji Yaklaşımı.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Temel Fizik. 9 ^na yaym Öğrenme.
6. Vikipedi. İzotermal İşlem. En.wikipedia.org adresinden kurtarıldı.