एक इज़ोटेर्माल प्रक्रिया क्या है? (उदाहरण, अभ्यास) - शारीरिक - 2025

समतापीय या समतापीय प्रक्रिया एक प्रतिवर्ती thermodynamic प्रक्रिया है जिसमें तापमान निरंतर बनी हुई है। एक गैस में, ऐसी परिस्थितियां होती हैं, जिसमें सिस्टम में बदलाव से तापमान में बदलाव नहीं होता है, लेकिन यह शारीरिक विशेषताओं में होता है।

ये परिवर्तन चरण परिवर्तन हैं, जब पदार्थ ठोस से तरल में, तरल से गैस में या इसके विपरीत बदल जाता है। ऐसे मामलों में, पदार्थ के अणु थर्मल ऊर्जा को जोड़ने या निकालने के लिए उनकी स्थिति को पुन: अन्याय करते हैं।

चित्र 1. पिघलने वाले आइकल्स एक आइसोथर्मल प्रक्रिया का एक उदाहरण हैं। स्रोत: पिक्साबे

किसी पदार्थ में होने वाले चरण परिवर्तन के लिए आवश्यक तापीय ऊर्जा को परिवर्तन की ऊष्मा या ऊष्मा कहा जाता है।

एक प्रक्रिया इज़ोटेर्मल बनाने का एक तरीका पदार्थ है जो बाहरी थर्मल जलाशय के संपर्क में अध्ययन के तहत प्रणाली होगी, जो एक बड़ी कैलोरी क्षमता के साथ एक और प्रणाली है। इस तरह, इतनी धीमी गर्मी विनिमय होती है कि तापमान स्थिर रहता है।

इस प्रकार की प्रक्रिया प्रकृति में अक्सर होती है। उदाहरण के लिए, मानव शरीर में जब शरीर का तापमान बढ़ जाता है या गिर जाता है तो हम बीमार महसूस करते हैं, क्योंकि हमारे शरीर में जीवन को बनाए रखने वाली कई रासायनिक प्रतिक्रियाएँ एक स्थिर तापमान पर होती हैं। यह सामान्य रूप से गर्म रक्त वाले जानवरों के लिए सच है।

अन्य उदाहरण बर्फ हैं जो गर्मी में पिघलते हैं जब वसंत आता है और बर्फ के टुकड़े जो पेय को ठंडा करते हैं।

-गर्म खून वाले जानवरों का चयापचय एक स्थिर तापमान पर किया जाता है।

चित्रा 2. गर्म रक्त वाले जानवरों में तापमान स्थिर रखने के लिए तंत्र होते हैं। स्रोत: विकिमीडिया कॉमन्स

-जब पानी उबलता है, तरल से गैस तक एक चरण परिवर्तन होता है, और तापमान लगभग 100 factors C पर स्थिर रहता है, क्योंकि अन्य कारक मूल्य को प्रभावित कर सकते हैं।

-मिली बर्फ एक और आम इज़ोटेर्मल प्रक्रिया है, जैसा कि बर्फ के टुकड़े बनाने के लिए फ्रीज़र में पानी रखा जाता है।

-ऑटोमोटिव इंजन, रेफ्रिजरेटर, साथ ही कई अन्य प्रकार की मशीनरी, एक निश्चित तापमान सीमा में सही ढंग से काम करती हैं। थर्मोस्टैट्स नामक उपकरणों का उपयोग उचित तापमान को बनाए रखने के लिए किया जाता है। इसके डिजाइन में विभिन्न ऑपरेटिंग सिद्धांतों का उपयोग किया जाता है।

कारनोट चक्र

एक कार्नोट इंजन एक आदर्श मशीन है जिसमें से काम पूरी तरह से प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं के लिए धन्यवाद प्राप्त किया जाता है। यह एक आदर्श मशीन है क्योंकि यह ऊर्जा को फैलाने वाली प्रक्रियाओं पर विचार नहीं करती है, जैसे कि पदार्थ की चिपचिपाहट जो काम करती है, न ही घर्षण।

कारनोट चक्र में चार चरण होते हैं, जिनमें से दो ठीक इज़ोथेर्मल होते हैं और अन्य दो एडियाबेटिक होते हैं। आइसोथर्मल चरण एक गैस का संपीड़न और विस्तार है जो उपयोगी कार्य के उत्पादन के लिए जिम्मेदार है।

एक कार इंजन समान सिद्धांतों पर काम करता है। सिलेंडर के अंदर एक पिस्टन की गति कार के अन्य भागों में प्रेषित होती है और आंदोलन पैदा करती है। इसमें कार्नोट इंजन की तरह एक आदर्श प्रणाली का व्यवहार नहीं है, लेकिन थर्मोडायनामिक सिद्धांत आम हैं।

एक इज़ोटेर्मल प्रक्रिया में किए गए कार्य की गणना

एक प्रणाली द्वारा किए गए काम की गणना करने के लिए जब तापमान स्थिर होता है, हमें थर्मोडायनामिक्स के पहले कानून का उपयोग करना चाहिए, जिसमें कहा गया है:

यह प्रणाली में ऊर्जा के संरक्षण को व्यक्त करने का एक और तरीका है, जिसे changeU या ऊर्जा में परिवर्तन के माध्यम से प्रस्तुत किया जाता है, क्यू कि आपूर्ति की गई गर्मी और अंत में डब्ल्यू, जो कि उक्त प्रणाली द्वारा किया गया कार्य है।

मान लीजिए कि विचाराधीन प्रणाली एक आदर्श गैस है जो क्षेत्र ए के एक चलती पिस्टन के सिलेंडर में निहित है, काम कर रही है जब इसकी मात्रा वी ₁ से वी _{2 में} बदलती है _।

चित्रा 3. एक आइसोथर्मल प्रक्रिया में, गैस तापमान को बदले बिना पिस्टन में फैलती है। स्रोत: यूट्यूब

राज्य का आदर्श गैस समीकरण PV = nRT है, जो दबाव P और तापमान T से आयतन से संबंधित है। N और R का मान स्थिर है: n गैस के मोल्स की संख्या है और R गैसों का स्थिरांक है। एक आइसोथर्मल प्रक्रिया के मामले में पीवी उत्पाद स्थिर है।

ठीक है, किए गए कार्य की गणना एक छोटे अंतर के कार्य को एकीकृत करके की जाती है, जिसमें एक F एक छोटा विस्थापन dx पैदा करता है:

चूँकि Adx वास्तव में वॉल्यूम भिन्नता dV है, तो:

एक इज़ोटेर्मल प्रक्रिया में कुल काम प्राप्त करने के लिए, हम dW के लिए अभिव्यक्ति को एकीकृत करते हैं:

दबाव P और आयतन V को PV चित्र पर दर्शाया जाता है जैसे चित्र में दिखाया गया है, और किया गया कार्य वक्र के नीचे के क्षेत्र के बराबर है:

चित्रा 4. एक isothermal प्रक्रिया के पीवी आरेख। स्रोत: विकिमीडिया कॉमन्स

तापमान SinceU = 0 के बाद से तापमान स्थिर रहता है, इस प्रक्रिया में हमारे पास:

- अभ्यास 1

चलती पिस्टन के साथ लगे सिलेंडर में 127.C पर एक आदर्श गैस होती है। यदि पिस्टन 10 गुना प्रारंभिक मात्रा को कम करने के लिए चलता है, तो तापमान को स्थिर रखते हुए, सिलेंडर में निहित गैस के मोल्स की संख्या ज्ञात करें, यदि गैस पर किया गया कार्य 38,180 J है।

डेटा: आर = 8.3 जे / मोल। क

उपाय

बयान में कहा गया है कि तापमान स्थिर रहता है, इसलिए हम एक आइसोथर्मल प्रक्रिया की उपस्थिति में हैं। गैस पर किए गए काम के लिए हमारे पास पहले से कटौती समीकरण है:

127 127 C = 127 + 273 K = 400 K

N के लिए हल करें, मोल्स की संख्या:

n = W / RT ln (V2 / V1) = -38180 J / 8.3 J / mol। K x 400 K x ln (V ₂ / 10V ₂) = 5 moles

काम एक नकारात्मक संकेत से पहले था। चौकस पाठक ने पूर्ववर्ती खंड में देखा होगा कि डब्ल्यू को "सिस्टम द्वारा किए गए कार्य" के रूप में परिभाषित किया गया था और एक + चिह्न है। तो "सिस्टम पर किया गया काम" एक नकारात्मक संकेत है।

- व्यायाम २

आपके पास एक सिलेंडर में हवा है जो एक सवार के साथ फिट है। शुरुआत में 100 kPa दबाव और 80 temperatureC तापमान पर 0.4 m ³ गैस होती है। हवा को 0.1 मीटर ³ तक संपीड़ित किया जाता है ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि सिलेंडर के अंदर का तापमान प्रक्रिया के दौरान स्थिर रहता है।

निर्धारित करें कि इस प्रक्रिया के दौरान कितना काम किया जाता है।

उपाय

हम पहले से व्युत्पन्न काम के लिए समीकरण का उपयोग करते हैं, लेकिन मोल्स की संख्या अज्ञात है, जिसे आदर्श गैस समीकरण के साथ गणना की जा सकती है:

80 3 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। के एक्स 353 के = 13.65 मोल

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

फिर से नकारात्मक संकेत इंगित करता है कि सिस्टम पर काम किया गया था, जो हमेशा गैस संपीड़ित होने पर होता है।

संदर्भ

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