Die Wissenschaft der Physik untersucht Objekte und Systeme, um ihre Bewegungen, Temperaturen und andere physikalische Eigenschaften zu messen. Es kann auf alles angewendet werden, von einzelligen Organismen über mechanische Systeme bis hin zu Planeten, Sternen und Galaxien und den Prozessen, die sie steuern. Innerhalb der Physik Die Thermodynamik ist ein Zweig, der sich auf Veränderungen konzentriert von Energie (Wärme) in den Eigenschaften eines Systems während einer physikalischen oder chemischen Reaktion.
Der "isotherme Prozess" ist ein thermodynamischer Prozess, bei dem die Temperatur eines Systems konstant bleibt. Das Wärmeübertragung Ein- oder Ausstieg aus dem System geschieht so langsam, dass thermisches Gleichgewicht ist gewartet. "Thermisch" ist ein Begriff, der die Wärme eines Systems beschreibt. "Iso" bedeutet "gleich", "isotherm" bedeutet "gleiche Wärme", was das thermische Gleichgewicht definiert.
Der isotherme Prozess
Im Allgemeinen ändert sich während eines isothermen Prozesses das Innere
Energie, Wärmeenergie, und Arbeit, obwohl die Temperatur gleich bleibt. Etwas im System sorgt dafür, dass die gleiche Temperatur erhalten bleibt. Ein einfaches ideales Beispiel ist der Carnot-Zyklus, der im Wesentlichen beschreibt, wie eine Wärmekraftmaschine funktioniert, indem sie einem Gas Wärme zuführt. Infolgedessen dehnt sich das Gas in einem Zylinder aus, und das drückt einen Kolben, um etwas Arbeit zu erledigen. Die Wärme oder das Gas muss dann aus dem Zylinder gedrückt (oder abgelassen) werden, damit der nächste Wärme- / Expansionszyklus stattfinden kann. Dies passiert zum Beispiel in einem Automotor. Wenn dieser Zyklus vollständig effizient ist, ist der Prozess isotherm, da die Temperatur konstant gehalten wird, während sich der Druck ändert.Um die Grundlagen des isothermen Prozesses zu verstehen, betrachten Sie die Wirkung von Gasen in einem System. Die innere Energie eines ideales Gas hängt ausschließlich von der Temperatur ab, so dass die Änderung der inneren Energie während eines isothermen Prozesses für eine ideales Gas ist auch 0. In einem solchen System führt die gesamte einem System (aus Gas) zugeführte Wärme Arbeiten zur Aufrechterhaltung des isothermen Prozesses durch, solange der Druck konstant bleibt. Wenn ein ideales Gas in Betracht gezogen wird, bedeutet die Arbeit am System zur Aufrechterhaltung der Temperatur im Wesentlichen, dass das Volumen des Gases mit zunehmendem Druck auf das System abnehmen muss.
Isotherme Prozesse und Materiezustände
Isotherme Prozesse sind vielfältig. Das Verdampfen von Wasser in die Luft ist eines, ebenso wie das Kochen von Wasser bei einem bestimmten Siedepunkt. Es gibt auch viele chemische Reaktionen, die das thermische Gleichgewicht aufrechterhalten, und in der Biologie wird gesagt, dass die Wechselwirkungen einer Zelle mit ihren umgebenden Zellen (oder anderen Stoffen) ein isothermer Prozess sind.
Verdampfung, Schmelzen und Kochen sind ebenfalls "Phasenwechsel". Das heißt, es handelt sich um Änderungen an Wasser (oder anderen Flüssigkeiten oder Gasen), die bei konstanter Temperatur und konstantem Druck stattfinden.
Darstellung eines isothermen Prozesses
In der Physik werden solche Reaktionen und Prozesse mithilfe von Diagrammen (Grafiken) aufgezeichnet. In einem PhasendiagrammEin isothermer Prozess wird grafisch dargestellt, indem einer vertikalen Linie (oder Ebene) in 3D gefolgt wird Phasendiagramm) entlang einer konstanten Temperatur. Der Druck und das Volumen können sich ändern, um die Temperatur des Systems aufrechtzuerhalten.
Wenn sie sich ändern, ist es möglich, dass eine Substanz ihre ändert Aggregatszustand auch wenn seine Temperatur konstant bleibt. Das Verdampfen von Wasser beim Kochen bedeutet also, dass die Temperatur gleich bleibt, wenn das System Druck und Volumen ändert. Dies wird dann aufgezeichnet, wobei die Temperierung entlang des Diagramms konstant bleibt.
Was das alles bedeutet
Wenn Wissenschaftler isotherme Prozesse in Systemen untersuchen, untersuchen sie wirklich Wärme und Energie und die Verbindung zwischen ihnen und der mechanischen Energie, die erforderlich ist, um die Temperatur von a zu ändern oder aufrechtzuerhalten System. Ein solches Verständnis hilft Biologen zu untersuchen, wie Lebewesen ihre Temperaturen regulieren. Es kommt auch in den Bereichen Ingenieurwesen, Weltraumwissenschaft, Planetenforschung, Geologie und vielen anderen Wissenschaftszweigen ins Spiel. Thermodynamische Leistungszyklen (und damit isotherme Prozesse) sind die Grundidee von Wärmekraftmaschinen. Menschen verwenden diese Geräte, um Stromerzeugungsanlagen und, wie oben erwähnt, Autos, Lastwagen, Flugzeuge und andere Fahrzeuge anzutreiben. Darüber hinaus existieren solche Systeme auf Raketen und Raumfahrzeugen. Ingenieure wenden Prinzipien des Wärmemanagements (mit anderen Worten Temperaturmanagement) an, um die Effizienz dieser Systeme und Prozesse zu steigern.
Bearbeitet und aktualisiert von Carolyn Collins Petersen.