Comprender cuáles son los diferentes procesos termodinámicos y cómo utilizar la primera ley de la termodinámica con cada uno es crucial cuando comienzas a considerar los motores térmicos y los ciclos de Carnot.

Muchos de los procesos están idealizados, por lo tanto, mientras no reflejan con precisión cómo ocurren las cosas en el mundo real, son aproximaciones útiles que simplifican los cálculos y hacen que sea más fácil sacar conclusiones. Estos procesos idealizados describen cómo los estados de un gas ideal pueden sufrir cambios.

El proceso isotérmico es solo un ejemplo, y el hecho de que ocurra a una sola temperatura, por definición, simplifica drásticamente el trabajo con la primera ley de la termodinámica. cuando estás calculando cosas como procesos de motor térmico.
¿Qué es un proceso isotérmico?

Un proceso isotérmico es un proceso termodinámico que ocurre a una temperatura constante. El beneficio de trabajar a una temperatura constante y con un gas ideal es que puede usar la ley de Boyle y la ley de gas ideal para relacionar la presión y el volumen. Ambas expresiones (como la ley de Boyle es una de las varias leyes que se incorporaron a la ley del gas ideal) muestran una relación inversa entre la presión y el volumen. La ley de Boyle implica que:
P_1V_1 \u003d P_2V_2

Donde los subíndices denotan la presión ( P
) y el volumen ( V
) en el tiempo 1 y la presión y el volumen en el momento 2. La ecuación muestra que si el volumen se duplica, por ejemplo, la presión tiene que reducirse a la mitad para mantener la ecuación equilibrada, y viceversa. La ley de gas ideal completa es PV
\u003d nRT
, donde n
es el número de moles del gas, R
es el gas universal constante y T
es la temperatura. Con una cantidad fija de gas y una temperatura fija, PV
debe tomar un valor constante, lo que lleva al resultado anterior.

En un diagrama de presión-volumen (PV), que es un gráfico de presión vs. volumen que se usa a menudo para procesos termodinámicos, un proceso isotérmico se parece a la gráfica de y
\u003d 1 / x
, curvándose hacia abajo hacia su valor mínimo.

Un punto que a menudo confunde a las personas es la distinción entre isotérmica
vs. adiabática
, pero dividir la palabra en sus dos partes puede ayudarlo a recordar esto. "Iso" significa igual y "térmico" se refiere al calor de algo (es decir, su temperatura), por lo que "isotérmico" significa literalmente "a una temperatura igual". Los procesos adiabáticos no implican transferencia de calor , pero el la temperatura del sistema a menudo cambia durante ellos.
Procesos isotérmicos y la primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía interna (
U
) para un el sistema es igual al calor agregado al sistema ( Q
) menos el trabajo realizado por el sistema ( W
), o en símbolos:
∆U \u003d Q - W

Cuando se trata de un proceso isotérmico, puede utilizar el hecho de que la energía interna es directamente proporcional a la temperatura junto con esta ley para llegar a una conclusión útil. La energía interna de un gas ideal es:
U \u003d \\ frac {3} {2} nRT

Esto significa que para una temperatura constante, tiene una energía interna constante. Entonces, con ∆U
\u003d 0, la primera ley de la termodinámica se puede reorganizar fácilmente para:
Q \u003d W

O, en palabras, el calor agregado al sistema es igual a trabajo realizado por el sistema, lo que significa que el calor agregado se utiliza para hacer el trabajo. Por ejemplo, en la expansión isotérmica, se agrega calor al sistema, lo que hace que se expanda, trabajando en el medio ambiente sin perder energía interna. En una compresión isotérmica, el entorno funciona en el sistema y hace que el sistema pierda esta energía como calor.
Procesos isotérmicos en motores de calor

Los motores de calor utilizan un ciclo completo de procesos termodinámicos para convertir el calor. energía en energía mecánica, generalmente moviendo un pistón a medida que se expande el gas en el motor térmico. Los procesos isotérmicos son una parte clave de este ciclo, ya que la energía calorífica adicional se convierte por completo en trabajo sin ninguna pérdida.

Sin embargo, este es un proceso altamente idealizado, porque en la práctica siempre habrá algo de energía perdida cuando La energía térmica se convierte en trabajo. Para que funcione en realidad, necesitaría una cantidad de tiempo infinita para que el sistema pueda permanecer en equilibrio térmico con su entorno en todo momento.

Los procesos isotérmicos se consideran procesos reversibles, porque si usted ' Si ha completado un proceso (por ejemplo, una expansión isotérmica), puede ejecutar el mismo proceso a la inversa (una compresión isotérmica) y devolver el sistema a su estado original. En esencia, puede ejecutar el mismo proceso hacia adelante o hacia atrás en el tiempo sin romper ninguna ley de la física.

Sin embargo, si intenta esto en la vida real, la segunda ley de la termodinámica significaría que hubo un aumento en la entropía. durante el proceso "hacia adelante", por lo que el "hacia atrás" no devolvería completamente el sistema a su estado original.

Si traza un proceso isotérmico en un diagrama PV, el trabajo realizado durante el proceso es igual al área debajo de la curva. Si bien puede calcular el trabajo realizado de forma isotérmica de esta manera, a menudo es más fácil usar la primera ley de la termodinámica y el hecho de que el trabajo realizado es igual al calor agregado al sistema.
Otras expresiones para el trabajo realizado en isoterma Procesos

Si está haciendo cálculos para un proceso isotérmico, existen otras ecuaciones que puede usar para encontrar el trabajo realizado. El primero de ellos es:
W \u003d nRT \\ ln \\ bigg (\\ frac {V_f} {V_i} \\ bigg)

Donde V
_{f es el volumen final y V
i es el volumen inicial. Utilizando la ley de los gases ideales, puede sustituir la presión y el volumen iniciales ( P
i y V
i) por el nRT
en este ecuación para obtener:
W \u003d P_iV_i \\ ln \\ bigg (\\ frac {V_f} {V_i} \\ bigg)}

Puede ser más fácil en la mayoría de los casos trabajar a través del calor agregado, pero si solo tiene información Sobre la presión, el volumen o la temperatura, una de estas ecuaciones podría simplificar el problema. Dado que el trabajo es una forma de energía, su unidad es el joule (J).
Otros procesos termodinámicos

Hay muchos otros procesos termodinámicos, y muchos de estos se pueden clasificar de manera similar a los procesos isotérmicos. , excepto que las cantidades distintas de la temperatura son constantes en todo momento. Un proceso isobárico es aquel que ocurre a una presión constante, y debido a esto, la fuerza ejercida sobre las paredes del contenedor es constante, y el trabajo realizado está dado por W
\u003d P∆V
.

Para el gas que experimenta expansión isobárica, es necesario que haya transferencia de calor para mantener la presión constante, y este calor cambia la energía interna del sistema y hace el trabajo.

Un proceso isocrórico tiene lugar a un volumen constante. Esto le permite simplificar la primera ley de la termodinámica, porque si el volumen es constante, el sistema no puede trabajar en el medio ambiente. Como resultado, el cambio en la energía interna del sistema se debe completamente al calor transferido.

Un proceso adiabático es aquel que ocurre sin intercambio de calor entre el sistema y el medio ambiente. Sin embargo, esto no significa que no haya cambios en la temperatura del sistema, ya que el proceso podría conducir a un aumento o una disminución de la temperatura sin transferencia directa de calor. Sin embargo, sin transferencia de calor, la primera ley muestra que cualquier cambio en la energía interna debe deberse al trabajo realizado en el sistema o por el sistema, ya que establece Q
\u003d 0 en la ecuación.