что такое изохорный процесс в физике
Изохорический процесс
Изохорический или изохорный процесс от др.-греч. ισος — «ровный», и chora — «пространство, занятое место») — это термодинамический процесс, который происходит при постоянстве объёма. В газах и жидкостях осуществляется очень просто: для этого достаточно нагревать (охлаждать) вещество в сосуде, который не изменяет своего объёма.
При изохорическом процессе давление идеального газа прямо пропорциально его температуре (см. Закон Шарля). В реальных газах закон Шарля не выполняется, так как часть теплоты, которую получает система, расходуется на увеличение энергии взаимодействия частиц.
На графиках изображается линиями, которые называются изохоры. Для идеального газа они являются прямыми во всех диаграммах, которые связывают параметры: T (температура), V (объем) и P (давление).
Содержание
Термодинамика процесса
Из определения работы следует, что изменение работы при изохорном процессе равна:
Чтобы определить полную работу процесса проинтегрируем данное выражение. Поскольку объем неизменен, то:
,
Но такой интеграл равен нулю. Итак, при изохорном процессе газ работы не совершает:
.
Графически доказать это намного проще. С математической точки зрения, работа процесса — это площадь под графиком. Но график изохорного процесса является перпендикуляром к оси абсцисс. Таким образом, площадь под ним равна нулю.
Изменение внутренней энергии идеального газа можно наити по формуле:
,
где i — число степеней свободы, которое зависит от количества атомов в молекуле (3 для одноатомной (например, неон), 5 для двухатомной (например, кислород) и 6 для трёхатомной и более (например, молекула водяного пара)).
Из определения и формулы теплоёмкости и, формулу для внутренней энергии можно переписать в виде:
,
где 
— молярная теплоёмкостью при постоянном объёме.
Используя первое начало термодинамики можно найти количество теплоты при изохорном процессе:
Но при изохорном процессе газ не выполняет работу. То есть, имеет место равенство:
,
то есть вся теплота, которую получает газ идёт на изменение его внутренней энергии.
Энтропия при изохорном процессе
Поскольку в системе при изохорном процессе происходит теплообмен с внешней средой, то происходит изменение энтропии. Из определения энтропии следует:
Выше была выведена формула для определения количества теплоты. Перепишем ее в диференциальном виде:
,
где ν — количество вещества, 
— молярная теплоемкостью при постоянном объеме. Итак, микроскопическое изменение энтропии при изохорном процессе можно определить по формуле:
Или, если проинтегрировать последнее выражение, полное изменение энтропии в этом процессе:
В данном случае выносить выражение молярной теплоемкости при постоянном объеме за знак интеграла нельзя, поскольку она является функцией, которая зависит от температуры.
Список литературы
См. также
Полезное
Смотреть что такое «Изохорический процесс» в других словарях:
изохорический процесс — izochorinis vyksmas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. isochoric process vok. isochore Zustandsänderung, f; isochorer Prozeß, m rus. изохорический процесс, m; изохорный процесс, m pranc. processus isochore, m … Fizikos terminų žodynas
изохорический процесс — izochorinis procesas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Termodinaminis procesas, vykstantis esant pastoviajam sistemos tūriui. atitikmenys: angl. isochoric process vok. isochorer Prozeß, m rus. изохорический процесс, m pranc. processus… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
ИЗОХОРИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС — изохорный процесс, термодинамический процесс, протекающий при пост. уд. объёме системы. Близок к И. п., напр., процесс сгорания топлива в карбюраторном двигателе … Большой энциклопедический политехнический словарь
изохорический — процесс [изо… + гр. пространство] – физ. процесс, протекающий при постоянном объёме Большой словарь иностранных слов. Издательство «ИДДК», 2007 … Словарь иностранных слов русского языка
Процесс — (Process) Определение процесса, виды и типы процессов Информация об определении процесса, виды и типы процессов Содержание Содержание Определение Исторический Бизнес процесс Тепловой процесс Адиабатический процесс Изохорный процесс Изобарный… … Энциклопедия инвестора
ИЗОХОРНЫЙ ПРОЦЕСС — (изохорический процесс), процесс, протекающий в системе при пост. её объёме. В отсутствие внеш. полей (электрич., магн. и др.) И. п. происходит без совершения внеш. работы; изменение внутренней энергии системы в И. п. равно подведённому кол ву… … Естествознание. Энциклопедический словарь
изохорный процесс — (изохорический процесс), процесс, протекающий в системе при постоянном её объёме. В отсутствие внешних полей (электрического, магнитного и др.) изохорный процесс происходит без совершения внешней работы; изменение внутренней энергии системы в… … Энциклопедический словарь
ИЗОХОРНЫЙ ПРОЦЕСС — процесс, происходящий в физ. системе при пост. объёме; на термодинамич. диаграммах состояния изображается изохорой. Для осуществления И. п. в газах и жидкостях их можно поместить в герметич. сосуд, не меняющий своего объёма. При И. п. механич.… … Физическая энциклопедия
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС — всякое изменение, происходящее в термодинамич. системе и связанное с изменением хотя бы одного из её параметров состояния. Различают обратимые процессы, необратимые процессы и квазистатические процессы. Частные случаи Т. п.: адиабатный процесс,… … Большой энциклопедический политехнический словарь
ИЗОХОРНЫЙ ПРОЦЕСС — (изохорический процесс) процесс, протекающий в системе при постоянном ее объеме. В отсутствие внешних полей (электрического, магнитного и др.) Изохорный процесс происходит без совершения внешней работы; изменение внутренней энергии системы в… … Большой Энциклопедический словарь
Объединенный газовый закон и изопроцессы
теория по физике 🧲 молекулярная физика, МКТ, газовые законы
Объединенный газовый закон был открыт экспериментально. Он также является следствием основного уравнения состояния идеального газа. Согласно ему:
При постоянной массе газа и его неизменной молярной массе отношение произведения давления на объем к его абсолютной температуре остается величиной постоянной:
Объединенный газовый закон применительно к изопроцессам
Объединенный газовый закон объединяет три независимых газовых закона: Бойля — Мариотта, Шарля и Гей-Люссака. Газовые законы действуют в частных случаях — изопроцессах.
Изопроцессы — термодинамические процессы, во время которых количество вещества и один из параметров состояния: давление, объём, температура или энтропия — остаётся неизменным.
Изотермический процесс. Закон Бойля — Мариотта.
Изотермический процесс — термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянной температуре и массе:
Для изотермического процесса действует закон Бойля — Мариотта:
Закон Бойля — Мариотта
Для газа данной массы произведение газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется.
Изохорный процесс. Закон Шарля.
Изохорный процесс — термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном объеме и массе:
Для изохорного процесса действует закон Шарля:
Для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объем не меняется.
Изобарный процесс. Закон Гей-Люссака.
Изобарный процесс — термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном давлении и массе:
Для газа данной массы отношение объема к температуре постоянно, если давление газа не меняется.
Пример №1. Идеальный газ изобарно нагревают так, что его температура изменяется на ∆T = 240 К, а давление — в 1,6 раза. Масса газа постоянна. Найдите начальную температуру газа по шкале Кельвина.
Так как газ нагревают, то:
Запишем закон Шарля применительно к данному случаю:
Сделаем некоторые преобразования и вычислим начальную температуру:
Подсказки к задачам на газовые законы
 | |||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||
| Шар или понтон поднимается вверх в воздухе или жидкости | Архимедова сила больше силы тяжести: Составим уравнения для 1 и 2 случая. Когда лифт находится в покое, давление газа равно сумме атмосферного давления и давления, оказываемое массивным поршнем: Когда лифт начал двигаться, появилось дополнительное давление, связанное с увеличением веса поршня при ускоренном движении вверх: Так как изменением температуры можно пренебречь, можно считать, что это процесс изотермический. Следовательно: Объемы в 1 и 2 случае будут определяться формулами: h1 — расстояние от нижнего края поршня до дна сосуда в первом случае. h2 — та же самая величина, но во втором случае (искомая величина). Запишем закон Бойля — Мариотта для обоих случаев с учетом объемов: Так как это изотермический процесс, правые части уравнений можно приравнять: |
| Изопроцесс | График в координатах (p;V) | График в координатах (V;T) | График в координатах (p;T) |
| Изотермический (график — изотерма) |  Изотерма в координатах (p;V) — гипербола. Чем ближе изотерма к началу координат и осям, тем меньшей температуре она соответствует. Характер изменения переменных величин хорошо виден на графике. |  Изотерма в координатах (V;T) — прямая, перпендикулярная оси OT и параллельная оси OV. Чем ближе изотерма к оси OV, тем меньшей температуре она соответствует. С увеличением объема давление уменьшается. |  Изотерма в координатах (p;T) — прямая, перпендикулярная оси OT и параллельная оси Op. Чем ближе изотерма к оси Op, тем меньшей температуре она соответствует. С увеличением давления объем уменьшается. |
| Изохорный (график — изохора) |  Изохора в координатах (p;V) — прямая, перпендикулярная оси OV и параллельная оси Op. Чем ближе изохора к оси Op, тем меньшему объему она соответствует. С увеличением давления увеличивается температура. |  Изохора в координатах (V;T) — прямая, перпендикулярная оси OV и параллельная оси OT. Чем ближе изохора к оси OT, тем меньшему объему она соответствует. С увеличением температуры увеличивается давление. |  Изохора в координатах (p;T) — прямая, исходящая из начала координат. Чем меньше угол наклона изохоры к оси OT, тем меньшему объему она соответствует. Характер изменения переменных величин хорошо виден на графике. |
| Изобарный (график — изобара) |  Изобара в координатах (p;V) — прямая, перпендикулярная оси Op и параллельная оси OV. Чем ближе изобара к оси OV, тем меньшему давлению она соответствует. С увеличением объема температура растет. |  Изобара в координатах (V;T) — прямая, исходящая из начала координат. Чем меньше угол наклона изобары к оси OT, тем меньшему давлению она соответствует. Характер изменения переменных величин хорошо виден на графике. |  Изобара в координатах (p;T) — прямая, перпендикулярная оси Op и параллельная оси OT. Чем ближе изобара к оси OT, тем меньшему давлению она соответствует. С увеличением температуры объем растет. Пример №3. На рисунке представлен график циклического процесса. Вычертить его в координатах (p;T).
Определим характер изменения величин: Теперь, зная, какими будут графики всех величин в координатах (p;T), можно построить сам график. Он примет следующий вид :
Алгоритм решения Решение График построен в координатах (V;Ek). Процесс 1–2 представляет собой прямую линию, исходящую из начала координат. Это значит, что при увеличении объема растет средняя кинетическая энергия молекул. Но из основного уравнения МКТ идеального газа следует, что мерой кинетической энергии молекул является температура: Следовательно, когда кинетическая энергия молекул растет, температура тоже растет. Запишем уравнение Менделеева — Клапейрона: Так как количество вещества одинаковое для обоих состояния 1 и 2, запишем: Мы уже выяснили, что объем и температура увеличиваются пропорционально. Следовательно, давление в состояниях 1 и 2 равны. Поэтому процесс 1–2 является изобарным, давление во время него не меняется. Процесс 2–3 имеет график в виде прямой линии, перпендикулярной кинетической энергии. Так как температуры прямо пропорциональна кинетической энергии, она остается постоянной вместе с этой энергией. Следовательно, процесс 2–3 является изотермическим, температура во время него не меняется. Мы видим, что объем при этом процессе уменьшается. Но так как объем и давление — обратно пропорциональные величины, то давление на участке 2–3 увеличивается. pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить 1 моль идеального газа изохорно охлаждают на 200 К, при этом его давление уменьшается в 2 раза. Какова первоначальная абсолютная температура газа? Какой процесс называется изохорнымКакой процесс называется изохорным, условия протеканияИзохорным процессом называют термодинамический процесс, протекающий при условии постоянного объема. Изохорный процесс можно наблюдать опытным путем. Для этого необходимо повышать или понижать температуру вещества в газообразном или жидком состоянии, находящегося в сосуде и сохраняющего стабильность объема. В случае, когда манипуляции производят с идеальным газом, его давление и температура будут изменяться прямо пропорционально, согласно закону Шарля. Для реальных газов данная закономерность не применима. История возникновения теории, кто открыл, формулаИзучение изохорного процесса связывают с Гийомом Амонтоном. Работа ученого под названием «Парижские мемуары», написанная в 1702 году, посвящена исследованию характеристик газообразного вещества, помещенного в фиксированный объем, который составляет часть «воздушного термометра». Равновесие жидкости в данных условиях объясняется воздействием на нее давления газа, находящегося в сосуде, и атмосферного давления. Если температура среды повышается, показатели давления в резервуаре возрастают. При этом определенный объем жидкости вытесняется в выступающую трубку. Зависимость между такими характеристиками процесса, как температура и давление, представлена на рисунке. Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
В 1801 году были опубликованы два эссе исследователя Джона Дальтона с описанием эксперимента, результаты которого демонстрируют одинаковое расширение всех газов и паров при постоянном давлении и изменении температуры, когда начальная и конечная температура одинакова. В итоге был сформулирован закон Гей-Люссака. Ученый, в честь которого явление получило название, экспериментальным путем подтвердил одинаковое расширение различных газообразных веществ и вывел коэффициент, практически равный коэффициенту, полученному Дальтоном. Благодаря объединению данной закономерности с законом Бойля-Мариотта, был описан изохорный процесс. График изохорного процесса в идеальном газеЗависимость характеристик при изохорном процессе можно представить схематично. График на диаграмме в системе координат будет иметь следующий вид:
В случае идеального газа графически изохорные процессы будут изображены следующим образом:
Первый закон термодинамики для изохорного процессаВ условиях термодинамического процесса формула элементарной работы имеет следующий вид: Преобразование данного выражения позволит рассчитать величину полной работы процесса: Изменение внутренней энергии для идеального газа рассчитывается по формуле: \(\Delta U=\frac<2>\nu R\Delta T\) где i представляет собой количество степеней свободы, зависящее от числа атомов, которыми обладает молекула газа. В качестве примера можно рассмотреть такие вещества: Формула внутренней энергии выходит из понятия и уравнения теплоемкости, представляет собой следующее отношение: где \(c_<\upsilon >^<\mu >\) является молярной теплоемкостью в условиях постоянного объема. Расчет количества теплоты выполняют с помощью первого начала термодинамики в условиях термодинамического процесса: Следует учитывать, что в условиях изохорного процесса газообразное вещество не выполняет работу. Исходя из этого, можно вывести формулу: Согласно уравнению, газ получает теплоту. Она полностью расходуется, чтобы изменять внутреннюю энергию газообразного вещества. Изменения термодинамических параметров в изохорном процессеВ условиях изохорного процесса наблюдается теплообмен с внешней средой. Данное явление называют изменением энтропии. Из его понятия следует уравнение: где \(\delta Q\) является элементарным количеством теплоты. Преобразуя уравнение для расчета количества теплоты в дифференциальный вид, получают следующую формулу: где \(\nu\) является количеством вещества, а \(\nu c^<\mu >_<\upsilon >\) обозначает молярную теплоемкость в условиях постоянного объема. Формула микроскопического изменения энтропии в условиях протекания изохорного процесса имеет вид: Если проинтегрировать последнюю формулу, то расчет полного изменения энтропии выполняют таким образом: В этой ситуации не представляется возможным вынести определение молярной теплоемкости в условиях стабильного объема за интеграл, так как оно представлено в виде функции, зависящей от температуры. Применение эффекта изохорного процессаИдеальный цикл Отто приближенно воспроизведен в конструкции мотора внутреннего сгорания, работающего на бензине. Такты 2-3 и 4-1 при его функционировании представляют собой изохорные процессы. На выходе двигателя совершается работа. Она рассчитывается, как разность работ. К одной из них относят работу, производимую газообразным веществом над поршнем в процессе третьего такта или рабочего хода, к другой – работу, затраченную поршнем во время сжатия газа при втором такте. Таким образом, на примере двигателя, функционирующего, согласно принципу Отто, в системе принудительного сжигания смеси, газообразное вещество сжимается до 7-12 раз.
На рисунке изображен классический двигатель Стирлинга с конструкцией бета-типа, для которой характерно расположение рабочего и вытеснительного поршня в одном цилиндре. Динамику цикла Отто можно представить в следующем виде:
Цикл Стирлинга также характеризуется наличием двух изохорных тактов. Процесс протекает при дооснащении конструкции двигателя Стирлинга регенератором. Во время прохождения газообразного вещества в одном направлении через наполнитель осуществляется передача тепла от рабочего тела к регенератору. Если газ проходит в обратную сторону, то тепловая энергия передается на рабочее тело. Идеальный цикл Стирлинга достигает обратимости и характеризуется теми же параметрами КПД, что и цикл Карно. |
На графике представлена зависимость объёма постоянного количества молей одноатомного идеального газа от средней кинетической энергии теплового движения молекул газа. Опишите, как изменяются температура и давление газа в процессах 1−2 и 2−3. Укажите, какие закономерности Вы использовали для объяснения.
