ある平衡マクロ状態から別のマクロ状態への遷移は、熱力学的プロセスとして定義されます。このプロセスの際立った要素は、初期状態と最終状態です。システムは、圧力 P1、体積 V1、および温度 T1 によって定義される初期状態 1 から始まります。さまざまな準静的段階を経て、圧力 P2、体積 V2、および温度 T2 で表される最終状態 2 に進みます。このプロセスには、システムからの、またはシステムへのエネルギーの移動と、システムによる、またはシステム上の作業の実行が含まれます。一定の温度を維持しながらガス圧を増加させることは、熱力学的プロセスの一例です。
プロセス学習資料の種類について詳しく見ていきましょう。
プロセスの種類
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断熱過程
熱力学的には、断熱プロセスとは、熱がシステムに出入りしないプロセスです (Q =0)。熱の流れには一定の時間がかかるため、短時間で完了するプロセスは断熱的です。最初の法則が断熱プロセスに適用されると、
ΔU =U2−U1 =− ΔW
一定の圧力と体積での理想気体の断熱過程の場合、PVy =一定です。ここで、「y」は比熱 (通常またはモル) の比率です。
「y」=Cp/Cv
その結果、理想気体の状態が (P1, V1) から (P2, V2) に断熱的に変化する場合:
P1V1y=P2V2y
断熱過程では Q =0 であるため、熱力学の第 1 法則 (Q =ΔU + W) から ΔU =-W が得られます。その結果、行われた仕事が負の場合、内部エネルギーが上昇し、逆もまた同様です。
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等容性プロセス
システムの体積は、等容性プロセス中、つまり V =0 の間は変化しません。システムは仕事を達成しません (ΔV =0、PΔV、または W もゼロであるため)。熱力学の第一法則 (Q =ΔU + W) により、等容性プロセスの内部エネルギーの変化は、伝達される熱 (ΔU =Q) に等しくなります。プロセスは等容性であるため、dV =0 は圧力 - 体積仕事がゼロであることを意味します。内部エネルギーは、次の方法で理想気体モデルを使用して計算できます:
ΔU =mCvΔT
ここで、特性 Cv (J/mol K) は、一定体積での比熱 (または熱容量) として知られています。これは、システムの温度変化を、特定の特定の条件下 (一定体積) での熱伝達によって追加されるエネルギー量に関連付けるためです。 .熱力学の第一法則は、システムによって、またはシステムに対して行われる仕事がないため、ΔU =ΔQ を要求します。したがって、
Q =mCvΔT
<オール>等温プロセス
等温プロセスは、システムの温度が一定に保たれるプロセスです (T =const)。システムへの、またはシステムからの熱伝達は通常、非常に遅い速度で行われるため、リザーバーの温度は熱交換によって常に調整されます。熱平衡は、これらの各状態で維持されます。
理想気体の場合、環境「n =1」は、等温 (一定温度) とポリトロープ プロセスの両方を意味します。
n =κ である断熱過程とは対照的に、「k」は式 (以下に記述) の任意の定数であり、系は周囲と熱を交換しません (Q =0; ΔT0)、等温過程では。
ΔT=0 のため、内部エネルギーは変化しません。したがって、ΔU=0 (理想気体の場合) と Q ≠ 0 はどちらも真です。
したがって、W =nRT ln (VB/VA) は、等温プロセスで行われる仕事の量です。
VB が VA より大きい場合、行われた仕事は正になります。それ以外の場合は、負になります。内部エネルギーは温度に依存するため、温度が一定であるため ΔU =0 となるため、熱力学の第 1 法則 (Q =ΔU + W) を使用して Q =W が得られます。
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等圧プロセス
システムの圧力が一定に保たれる熱力学的プロセス
(p =const) は等圧過程として知られています。このプロセスでは圧力 (P) が一定のままであるため、システムの体積が変化します。 W =P (Vfinal – Vinitial) は、完了した作業量 (W) を決定するために使用できます。 ΔV が正 (膨張) の場合、行われた仕事は正です。行われた仕事は、負の ΔV (収縮) に対して負です。
理想気体の場合、n =0 の状況は等圧 (定圧) およびポリトロープ過程に対応します。等圧プロセスは内部エネルギーの変化を伴うため (ΔT≠0 による)、したがって ΔU ≠ 0 (理想気体の場合) および Q ≠ 0 です。外圧の場合、システムの周囲の Pext は P に等しくなります。はシステムの圧力であり、最大の仕事が行われます。 V が系の体積である場合、W12 は等圧熱力学過程で系が状態 1 から 2 に移行する際に実行される最大仕事であり、
わ 12 = 1 2 P dV =P 1 2 dV =P (V 2 -V 1 )
結論
システムは、圧力 Pi、体積 Vi、および温度 Ti によって定義される初期状態 i から開始します。次に、さまざまな準静的状態を経て、圧力 Pf、体積 Vf、および温度 Tf によって定義される最終状態 f に移動します。一定の温度を維持しながらガス圧を増加させることは、熱力学的プロセスの一例です。熱力学的プロセスの重要性は、熱機関のエンジニアリングに見られます。
