Ce este un proces izotermic în fizică?

Știința fizicii studiază obiecte și sisteme pentru a-și măsura mișcările, temperaturile și alte caracteristici fizice. Poate fi aplicat la orice, de la organisme unicelulare la sisteme mecanice până la planete, stele și galaxii și procesele care le guvernează. În fizică, termodinamica este o ramură care se concentrează asupra schimbărilor de energie (căldură) în proprietățile unui sistem în timpul oricărei reacții fizice sau chimice. 

„Procesul izoterm”, care este un proces termodinamic în care temperatura unui sistem rămâne constantă. Transferul de căldură în sau din sistem se întâmplă atât de lent încât echilibrul termic este menținut. „Termic” este un termen care descrie căldura unui sistem. „Iso” înseamnă „egal”, deci „izoterm” înseamnă „căldură egală”, ceea ce definește echilibrul termic.

Procesul izotermic

În general, în timpul unui proces izoterm se produce o schimbare a energiei interne, a energiei termice și a muncii, chiar dacă temperatura rămâne aceeași. Ceva din sistem funcționează pentru a menține acea temperatură egală. Un exemplu ideal simplu este ciclul Carnot, care descrie practic cum funcționează un motor de căldură prin furnizarea de căldură unui gaz. Drept urmare, gazul se extinde într-un cilindru, iar asta împinge un piston pentru a face unele lucrări. Căldura sau gazul trebuie apoi să fie împinse din cilindru (sau aruncate) pentru a avea loc următorul ciclu de căldură / expansiune. Acest lucru se întâmplă în interiorul unui motor auto, de exemplu. Dacă acest ciclu este complet eficient, procesul este izoterm, deoarece temperatura este menținută constantă în timp ce presiunea se schimbă. 

Pentru a înțelege elementele de bază ale procesului izoterm, luați în considerare acțiunea gazelor într-un sistem. Energia internă a unui gaz ideal depinde exclusiv de temperatură, astfel încât schimbarea energiei interne în timpul unui proces izoterm pentru un gaz ideal este de asemenea 0. Într-un astfel de sistem, toată căldura adăugată unui sistem (de gaz) efectuează lucrări pentru menținerea procesului izoterm, atât timp cât presiunea rămâne constantă. În esență, atunci când se ia în considerare un gaz ideal, munca depusă pe sistem pentru menținerea temperaturii înseamnă că volumul gazului trebuie să scadă pe măsură ce presiunea asupra sistemului crește. 

Procese izotermice și stări de materie

Procesele izoterme sunt multe și variate. Evaporarea apei în aer este una, la fel ca fierberea apei într-un punct specific de fierbere. Există, de asemenea, multe reacții chimice care mențin echilibrul termic, iar în biologie, se spune că interacțiunile unei celule cu celulele înconjurătoare (sau cu altă materie) sunt un proces izoterm.  

Evaporarea, topirea și fierberea sunt, de asemenea, „modificări de fază”. Adică sunt schimbări ale apei (sau ale altor fluide sau gaze) care au loc la temperatură și presiune constantă. 

Graficarea unui proces izotermic

În fizică, graficarea acestor reacții și procese se face folosind diagrame (grafice). Într-o diagramă de faze, un proces izoterm este graficat urmând o linie verticală (sau plan, într-o diagramă de fază 3D) de-a lungul unei temperaturi constante. Presiunea și volumul se pot schimba pentru a menține temperatura sistemului.

Pe măsură ce se schimbă, este posibil ca o substanță să-și schimbe starea de materie chiar dacă temperatura acesteia rămâne constantă. Astfel, evaporarea apei pe măsură ce fierbe înseamnă că temperatura rămâne la fel ca sistemul să schimbe presiunea și volumul. Acest lucru este apoi graficat cu temperaturile rămânând constante de-a lungul diagramei. 

Ce înseamnă totul

Când oamenii de știință studiază procesele izoterme în sisteme, ei examinează într-adevăr căldura și energia și conexiunea dintre ele și energia mecanică necesară pentru a schimba sau a menține temperatura unui sistem. O astfel de înțelegere ajută biologii să studieze modul în care ființele vii își reglează temperaturile. De asemenea, intră în joc în inginerie, știință spațială, știință planetară, geologie și multe alte ramuri ale științei. Ciclurile de putere termodinamică (și deci procese izoterme) sunt ideea de bază din spatele motoarelor termice. Oamenii folosesc aceste dispozitive pentru a alimenta centralele electrice și, după cum am menționat mai sus, mașinile, camioanele, avioanele și alte vehicule. În plus, astfel de sisteme există pe rachete și nave spațiale. Inginerii aplică principii ale managementului termic (cu alte cuvinte, managementul temperaturii) pentru a crește eficiența acestor sisteme și procese. 

Editat și actualizat de Carolyn Collins Petersen.