מהו תהליך איזותרמי בפיזיקה?

מדע הפיזיקה חוקר אובייקטים ומערכות כדי למדוד את תנועותיהם, הטמפרטורות שלהם ומאפיינים פיזיים אחרים. ניתן ליישם אותו על כל דבר, החל מאורגניזמים חד-תאיים, למערכות מכניות ועד לכוכבי לכת, כוכבים וגלקסיות והתהליכים השולטים בהם. בתוך הפיזיקה, התרמודינמיקה היא ענף המתרכז בשינויים של אנרגיה (חום) בתכונות של מערכת במהלך כל תגובה פיזית או כימית.

"התהליך האיזותרמי", שהוא תהליך תרמודינמי בו הטמפרטורה של מערכת נשארת קבועה. ה העברת חום אל המערכת או אל מחוץ לה קורה כל כך לאט שיווי משקל תרמי מתוחזק. "תרמי" הוא מונח המתאר את החום של מערכת. "איזו" פירושו "שווה", ולכן "איזותרמי" פירושו "חום שווה", וזה מה שמגדיר שיווי משקל תרמי.

באופן כללי, במהלך תהליך איזותרמי יש שינוי פנימי אנרגיה, אנרגיית חום, ו עבודהלמרות שהטמפרטורה נשארת זהה. משהו במערכת פועל לשמירה על אותה טמפרטורה שווה. דוגמה אחת אידיאלית ופשוטה היא מחזור קרנו, המתאר באופן בסיסי כיצד פועל מנוע חום על ידי אספקת חום לגז. כתוצאה מכך, הגז מתרחב בצילינדר וזה דוחף את הבוכנה לבצע עבודות מסוימות. לאחר מכן יש לדחוף את החום או הגז מהצילינדר (או לזרוק אותו) כך שתוכל להתקיים מחזור החום / הרחבה הבא. זה מה שקורה בתוך מנוע מכונית, למשל. אם מחזור זה יעיל לחלוטין, התהליך הוא איזותרמי מכיוון שהטמפרטורה נשמרת קבועה בזמן שהלחץ משתנה.

כדי להבין את היסודות של התהליך האיזותרמי, יש לקחת בחשבון את פעולת הגזים במערכת. האנרגיה הפנימית של גז אידיאלי תלוי אך ורק בטמפרטורה, כך שהשינוי באנרגיה הפנימית במהלך תהליך איזותרמי עבור גז אידיאלי הוא גם 0. במערכת כזו כל החום הנוסף למערכת (של גז) מבצע עבודות לשמירה על התהליך האיזותרמי, כל עוד הלחץ נשאר קבוע. בעיקרון, כאשר שוקלים גז אידיאלי, העבודה שנעשית על המערכת לשמירה על הטמפרטורה פירושה שנפח הגז צריך לרדת ככל שהלחץ על המערכת יגבר.

תהליכים איזותרמיים הם רבים ומגוונים. אידוי מים לאוויר הוא אחד, כמו גם הרתחת מים בנקודת רתיחה ספציפית. ישנן גם תגובות כימיות רבות השומרות על שיווי משקל תרמי, ובביולוגיה, האינטראקציות של תא עם תאיו הסובבים (או חומר אחר) נאמרים כתהליך איזותרמי.

אידוי, התכה והרתחה הם גם "שינויי שלב". כלומר, מדובר בשינויים במים (או בנוזלים או בגזים אחרים) המתרחשים בטמפרטורה ולחץ קבועים.

בפיזיקה, תרשים תגובות ותהליכים כאלה נעשה באמצעות דיאגרמות (גרפים). ב תרשים שלב, תהליך איזותרמי ממומש על ידי ביצוע קו אנכי (או מישור, בתלת ממד תרשים שלב) לאורך טמפרטורה קבועה. הלחץ והנפח יכולים להשתנות על מנת לשמור על טמפרטורת המערכת.

כאשר הם משתנים, ייתכן שחומר ישתנה מצב צבירה אפילו בזמן שהטמפרטורה שלו נשארת קבועה. לפיכך, אידוי מים בזמן שהם מרתיחים פירושו שהטמפרטורה נשארת זהה למערכת שמשנה לחץ ונפח. לאחר מכן מתואר זה עם הטמפרטורה המתמדת קבועה לאורך התרשים.

כאשר מדענים חוקרים תהליכים איזותרמיים במערכות, הם באמת בוחנים חום ואנרגיה ואת חיבור בינם לבין האנרגיה המכנית שנדרשת כדי לשנות או לשמור על הטמפרטורה של א מערכת. הבנה כזו מסייעת לביולוגים ללמוד כיצד יצורים חיים מווסתים את הטמפרטורה שלהם. זה בא לידי ביטוי גם בתחום ההנדסה, מדעי החלל, מדעי הפלנטה, הגיאולוגיה, ועוד ענפי מדע רבים אחרים. מחזורי כוח תרמודינמיים (וכך תהליכים איזותרמיים) הם הרעיון הבסיסי שמאחורי מנועי החום. בני אדם משתמשים במכשירים אלה בכדי להפעיל מפעלים לייצור חשמל וכאמור מכוניות, משאיות, מטוסים וכלי רכב אחרים. בנוסף, מערכות כאלה קיימות על טילים וחלליות. המהנדסים מיישמים עקרונות של ניהול תרמי (במילים אחרות, ניהול טמפרטורה) כדי להגביר את היעילות של מערכות ותהליכים אלה.

נערך ועודכן על ידי קרולין קולינס פיטרסן.