APAKAH PROSES ISOTERMAL? (CONTOH, LATIHAN) - FIZIKAL - 2025

Proses isotermal atau isotermal adalah proses termodinamik terbalik di mana suhu tetap berterusan. Dalam gas, ada situasi di mana perubahan dalam sistem tidak menghasilkan perubahan suhu, tetapi pada ciri fizikal.

Perubahan ini adalah perubahan fasa, apabila zat berubah dari pepejal ke cecair, dari cecair ke gas atau sebaliknya. Dalam kes sedemikian, molekul bahan menyesuaikan kedudukannya, menambah atau mengekstraksi tenaga haba.

Gambar 1. Mencairkan es adalah contoh proses isotermal. Sumber: Pixabay.

Tenaga haba yang diperlukan agar perubahan fasa berlaku dalam suatu zat disebut haba pendam atau haba transformasi.

Salah satu cara untuk membuat proses isotermal adalah meletakkan bahan yang akan menjadi sistem yang dikaji bersentuhan dengan takungan terma luaran, yang merupakan sistem lain dengan kapasiti kalori yang besar. Dengan cara ini, pertukaran haba yang perlahan berlaku bahawa suhu tetap berterusan.

Jenis proses ini sering berlaku di alam semula jadi. Sebagai contoh, pada manusia ketika suhu badan meningkat atau turun kita merasa sakit, kerana di dalam badan kita banyak reaksi kimia yang mengekalkan kehidupan berlaku pada suhu yang tetap. Ini berlaku untuk haiwan berdarah panas pada amnya.

Contoh lain ialah ais yang mencair di panas ketika musim bunga tiba dan ketulan ais yang menyejukkan minuman.

-Metabolisme haiwan berdarah panas dilakukan pada suhu tetap.

Gambar 2. Haiwan berdarah panas mempunyai mekanisme untuk menjaga suhu tetap. Sumber: Wikimedia Commons.

-Apabila air mendidih, perubahan fasa berlaku, dari cecair ke gas, dan suhunya tetap berterusan pada sekitar 100 ,C, kerana faktor lain dapat mempengaruhi nilainya.

-Melebatkan ais adalah proses isotermal lain yang biasa, seperti meletakkan air di dalam peti sejuk untuk membuat ketulan ais.

-Mesin automotif, peti sejuk, serta banyak jenis mesin lain, beroperasi dengan betul dalam julat suhu tertentu. Perangkat yang disebut termostat digunakan untuk menjaga suhu yang tepat. Pelbagai prinsip operasi digunakan dalam reka bentuknya.

Kitaran Carnot

Enjin Carnot adalah mesin yang ideal dari mana hasil kerja diperolehi melalui proses yang dapat dipulihkan sepenuhnya. Ini adalah mesin yang ideal kerana tidak mempertimbangkan proses yang membuang tenaga, seperti kelikatan bahan yang berfungsi, atau geseran.

Kitaran Carnot terdiri daripada empat peringkat, dua di antaranya tepat isotermal dan dua lagi adiabatik. Tahap isotermal adalah pemampatan dan pengembangan gas yang bertanggungjawab menghasilkan kerja yang bermanfaat.

Enjin kereta beroperasi berdasarkan prinsip yang serupa. Pergerakan omboh di dalam silinder dihantar ke bahagian lain di dalam kereta dan menghasilkan pergerakan. Ia tidak mempunyai tingkah laku sistem yang ideal seperti mesin Carnot, tetapi prinsip termodinamik adalah perkara biasa.

Pengiraan kerja yang dilakukan dalam proses isotermal

Untuk mengira kerja yang dilakukan oleh sistem apabila suhu tetap, kita mesti menggunakan undang-undang termodinamik pertama, yang menyatakan:

Ini adalah cara lain untuk menyatakan penjimatan tenaga dalam sistem, yang ditunjukkan melalui ΔU atau perubahan tenaga, Q sebagai haba yang dibekalkan dan akhirnya W, yang merupakan kerja yang dilakukan oleh sistem tersebut.

Anggaplah sistem yang dimaksud adalah gas ideal yang terkandung di dalam silinder piston bergerak di kawasan A, melakukan kerja apabila isipadu Vnya berubah dari V ₁ ke V _2.

Rajah 3. Dalam proses isotermal, gas mengembang di omboh tanpa mengubah suhunya. Sumber: youtube.

Keadaan persamaan gas yang ideal ialah PV = nRT, yang mengaitkan isipadu dengan tekanan P dan suhu T. Nilai n dan R adalah malar: n adalah bilangan mol gas dan R adalah pemalar gas. Sekiranya proses isotermal, produk PV adalah berterusan.

Nah, kerja yang dilakukan dikira dengan mengintegrasikan kerja pembezaan kecil, di mana daya F menghasilkan anjakan kecil dx:

Oleh kerana Adx adalah tepatnya variasi volume dV, maka:

Untuk mendapatkan jumlah kerja dalam proses isotermal, kami menggabungkan ungkapan untuk dW:

Tekanan P dan isipadu V digambarkan pada rajah PV seperti yang ditunjukkan dalam gambar, dan kerja yang dilakukan sama dengan kawasan di bawah lengkung:

Rajah 4. Gambarajah PV bagi proses isotermal. Sumber: Wikimedia Commons.

Oleh kerana ΔU = 0 kerana suhu tetap berterusan, dalam proses isotermal kita mempunyai:

- Latihan 1

Silinder yang dilengkapi dengan piston bergerak mengandungi gas ideal pada suhu 127ºC. Sekiranya omboh bergerak untuk mengurangkan isipadu awal 10 kali, menjaga suhu tetap, cari bilangan mol gas yang terdapat di dalam silinder, jika kerja yang dilakukan pada gas adalah 38,180 J.

Data : R = 8.3 J / mol. K

Penyelesaian

Kenyataan itu menyatakan bahawa suhu tetap berterusan, oleh itu kita berada dalam proses isotermal. Untuk kerja yang dilakukan pada gas, kita mempunyai persamaan yang sebelumnya disimpulkan:

127 º C = 127 + 273 K = 400 K

Selesaikan untuk n, bilangan mol:

n = W / RT ln (V2 / V1) = -38 180 J / 8.3 J / mol. K x 400 K x ln (V ₂ / 10V ₂ ) = 5 mol

Kerja didahului oleh tanda negatif. Pembaca yang penuh perhatian akan memperhatikan di bahagian sebelumnya bahawa W didefinisikan sebagai "kerja yang dilakukan oleh sistem" dan mempunyai tanda +. Jadi "kerja yang dilakukan pada sistem" mempunyai tanda negatif.

- Latihan 2

Anda mempunyai udara di dalam silinder yang dilengkapi dengan pelocok. Pada mulanya terdapat 0.4 m ³ gas pada tekanan 100 kPa dan suhu 80ºC. Udara dimampatkan hingga 0.1 m ³ memastikan bahawa suhu di dalam silinder tetap berterusan semasa proses.

Tentukan berapa banyak kerja yang dilakukan semasa proses ini.

Penyelesaian

Kami menggunakan persamaan untuk kerja yang diturunkan sebelumnya, tetapi bilangan mol tidak diketahui, yang dapat dikira dengan persamaan gas yang ideal:

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

Sekali lagi tanda negatif menunjukkan bahawa kerja dilakukan pada sistem, yang selalu berlaku ketika gas dimampatkan.

Rujukan

1. Bauer, W. 2011. Fizik untuk Kejuruteraan dan Sains. Jilid 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamik. Edisi 7 ^ma . Bukit McGraw.
3. Figueroa, D. (2005). Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 4. Cecair dan Termodinamik. Disunting oleh Douglas Figueroa (USB).
4. Knight, R. 2017. Fizik untuk Saintis dan Kejuruteraan: Pendekatan Strategi.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Asas Fizik. 9 ^na Pembelajaran Cengage.
6. Wikipedia. Proses Isotermal. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org.