Iso は定数の略で、thermal は温度の略です。等温プロセスは、温度が一定であるプロセスです。システムの体積が増加するか、圧力が低下すると、膨張が起こります。等温膨張は、温度が一定である膨張のプロセスです。このプロセスは熱平衡を維持します。
等温膨張とは?
等温膨張は、システムの温度が変化しない熱力学的プロセスです。
ここでは、まず熱力学のシステムと手順を理解することが重要です。
熱力学
熱力学は、システムと環境の間の熱エネルギーの移動、その熱エネルギーの機械エネルギーへの変換、およびその逆に関係しています。
熱力学システム
熱力学系は、特定の圧力 (P)、体積 (V)、および温度 (T) を持つ特定の領域内に閉じ込められた多数の分子または原子の集まりです。
「周囲」とは、熱や質量が交換されるこのシステムの外にあるすべてのものを指します。
熱力学的システムは、システムとその周囲との相互接続に基づいて 3 つのグループに分類されます。
- オープン システム:熱と質量の両方がシステムの環境および周囲と交換される場合
- 閉鎖系:質量の交換はなくても、熱は交換できる場合
- 孤立したシステム:システムの環境および周囲との熱および物質交換がない場合。
状態方程式 (理想気体の場合)
状態方程式は、熱力学系の P、V、T の関係です。 PV =nRT は、n モルの理想気体の状態方程式です。
パラメータ P、V、および T は、熱力学的変数とも呼ばれます。
ガスの仕事
ガスの体積 (V)、圧力 (P)、およびピストンの面積 (A) を考慮すると、F =PA はガスによってピストンに加えられる力です。
ガスの膨張中にピストンが適度な距離 dx を移動できるようにします。
dW =Fdx =PAdx は、わずかな変位 dx に対して行われる仕事です。
A dx =dV なので、ガス体積の増加は dV です。
⇒ dW =P dV
または W =∫ dW =∫ PdV
プロセス中に行われた作業は、PV 曲線内に含まれる面積で表されます。
等温膨張の概要
このタイプの膨張中、システムの温度は変化しません。システムと環境の両方の間で熱交換があります。適切な熱交換を可能にし、温度を一定に保つために、システムはゆっくりと圧縮または膨張する必要があります。
等温過程における P-V 曲線の傾き:
PV =定数 =C
⇒ dP / dV =– P / V
等温プロセスで行われる作業:
この過程で、気体はボイルの法則に従い、気体によってなされる仕事は、
W =nRT ln Vf / Vi
[Vf> Vi (拡張が行われる) の場合、W は正です]
[Vf
これは、ガス体積が Vi から Vf に変化したときの熱伝達量でもあります。温度変化がゼロであるため、このようなプロセスにおけるシステムのモル熱容量は無限大です。
C等温 =△Q / n△T =無限大。
前述のように、理想気体は式 PV =nRT に従います。さて、等温膨張プロセスでは、システムの温度は一定です。閉鎖系を仮定すると、モル数 n も一定になります。
したがって、等温膨張の式は次のように書くことができます
PV =C
C は定数です。
上記の式は次のようにも記述できます
T =定数
T =0
等温膨張下のシステムを想定します。初期状態を 1、最終状態を 2 とします。
この系の方程式は次のように書ける
P1V1=P2V2=定数
大きなリザーバーで装置を沈め、ゆっくりと操作を実行すると、等温プロセスが発生する可能性があります。したがって、システムの温度はタンクの温度と同じままです。必要に応じて、リザーバーとシステムは熱交換できます。
ガスを金属製のシリンダー (熱の優れた伝導体) に入れ、ピストンをゆっくり動かしても、ガスの温度は変化しません。周囲の空気と同じ温度を維持します。熱がガスから金属壁を通して空気に伝達されると、温度が上昇します。周囲の空気から金属の壁を介してガスに熱が伝達されると、温度が低下します。周囲の空気は、ここで大きな貯蔵庫として機能します。
等温膨張は、システムの温度が一定の場合に、体積が増加するか圧力が減少する熱力学的プロセスです。このプロセスは、熱平衡の状態を維持します。等温膨張で行われる仕事は、システムが行うように正です。理想気体の等温膨張の方程式
等温膨張の例
結論
