Proceso isotérmico: 31 cosas que la mayoría de los principiantes no saben

Contenido

Definición isotérmica

Un proceso isotérmico es un proceso termodinámico. En este proceso isotérmico, la temperatura del sistema permanece constante durante todo el proceso. Si consideramos que la temperatura es T. El cambio de temperatura es ΔT.

Para el proceso isotérmico, podemos decir que ΔT = 0

Expansión isotérmica

La expansión isotérmica consiste en aumentar el volumen con una temperatura constante del sistema.

Isoterma - constante de temperatura

Expansión: aumento de volumen

Proceso isotérmico: expansión
Expansión isotérmica

Consideremos la disposición pistón-cilindro para comprender si el pistón se mueve desde BDC (centro muerto inferior) a TDC (centro muerto superior) con una temperatura constante del gas. Este proceso isotérmico se considera expansión isotérmica.

Compresión isotérmica

La compresión isotérmica es un volumen decreciente con una temperatura constante del sistema.

Isoterma - constante de temperatura

Compresión: volumen decreciente

cilindro de pistón 2
Compresión isotérmica

Consideremos otra condición si el pistón se mueve de TDC a BDC (Punto muerto inferior) con temperatura constante del gas. Este proceso isotérmico se considera compresión isotérmica.

Isotermo vs adiabático

Isoterma significa temperatura constante.

Adiabático significa energía térmica constante.

Algunas condiciones para un proceso isotérmico son:

  • La temperatura debe permanecer constante.
  • La variación debe estar ocurriendo a un ritmo lento.
  • El calor específico del gas es infinito.

Algunas condiciones básicas para adiabático son las siguientes:

  • No ocurre transferencia de calor en adiabático.
  • La variación debe ocurrir muy rápidamente.
  • El calor específico del gas es 0 (cero).

Calorimetría isotérmica

Es una técnica para encontrar la interacción de los parámetros termodinámicos en una solución química. Usando calorimetría isotérmica, uno puede encontrar afinidad de unión, estequiometría de unión y cambios de entalpía entre dos o más interacciones de moléculas.

Amplificación isotérmica

Es una de las técnicas utilizadas para el seguimiento de patógenos. En estas técnicas, el ADN se amplifica manteniendo la sensibilidad más alta que la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) de referencia.

Amplificación isotérmica de ácidos nucleicos.

La amplificación isotérmica de ácidos nucleicos es una técnica que es eficiente y acumula ácidos nucleicos más rápidamente en el proceso isotérmico. Es un proceso sencillo y eficaz. Desde entonces, alrededor de 1990, se han desarrollado muchos procesos de amplificación isotérmica como alternativas a la reacción en cadena de la polimerasa (PCR).

Diagrama de transformación isotérmica

Se utiliza un diagrama de transformación isotérmica para comprender la cinética del acero. También se conoce como diagrama de transformación tiempo-temperatura.

Diagrama TTT de 375px
Diagrama de transformación tiempo-temperatura Crédito Wikipedia

Está asociado a propiedades mecánicas, microconstituyentes / microestructuras y tratamientos térmicos en aceros al carbono.

Diagrama fotovoltaico isotérmico

Fotovoltaica isotérmica de 800px
Diagrama fotovoltaico isotérmico Crédito Wikipedia

Ejemplo de proceso isotérmico

Isotermo es un proceso en el que la temperatura del sistema permanece sin cambios o constante.

Podemos tomar el ejemplo de un frigorífico y una bomba de calor. Aquí, en ambos casos, la energía térmica se elimina y se agrega, pero la temperatura del sistema permanece constante.

Ejemplos: frigorífico, bomba de calor

Trabajo isotermo

Hemos utilizado el diagrama PV del párrafo anterior. Si queremos escribir la fórmula del trabajo realizado. Debemos considerar el área bajo la curva AB-VA-VB. El trabajo realizado para esta integral se puede dar como,

W= nRT lnfrac{{Vb}}{Va}

Aquí en la ecuación

n es el número de lunares

R es constante de gas

T es la temperatura en kelvin

Capa isotérmica

En la ciencia atmosférica se utiliza un término de capa isotérmica. Se define como una capa vertical de aire o gas con temperatura constante en toda la altura. Esta situación ocurre en el nivel bajo de la troposfera en diversas situaciones de advección.

PCR isotérmica

La forma completa de PCR es una reacción en cadena de la polimerasa. Esta reacción se utiliza en técnicas de amplificación isotérmica para amplificar el ADN.

Ecuación del proceso isotérmico

Si consideramos la ley universal de los gases, entonces la ecuación se da a continuación,

PV = nRT

Ahora, aquí esto está en proceso isotérmico, entonces T = Constante,

PV = constante

La ecuación anterior es válida para un sistema cerrado que contiene gas ideal.

Hemos hablado del trabajo realizado anteriormente. Podemos considerar esa ecuación para el proceso isotérmico. Como sabemos por la figura, Vb es el volumen final y Va es el volumen inicial.

W= nRT lnfrac{{Vb}}{Va}

Expansión isotérmica de un gas ideal

  • Isotérmico - la temperatura es constante.
  • Expansión - el volumen está aumentando.

Significa que la expansión isotérmica aumenta el volumen con una temperatura constante del sistema.

En esta condición, el gas está haciendo trabajo, por lo que el trabajo será negativo porque el gas aplica energía para aumentar de volumen.

El cambio en la energía interna también es cero ΔU = 0 (gas ideal, temperatura constante)

Wrev = -int_{Va}^{Va}PdV

Wrev = -int_{Va}^{Va}frac{nRT}{V} dV

Wrev = -nRTlnizquierda | frac{Vb}{Va} derecha |

Expansión isotérmica reversible

Este tema se trata al explicar la expansión isotérmica del gas ideal.

Reacción isotérmica

Una reacción química que ocurre a una temperatura, o podemos decir a una temperatura constante, es una reacción isotérmica. No es necesario que cambie la temperatura para que la reacción continúe hasta el final.

Expansión isotérmica irreversible

Un proceso irreversible es un proceso real al que nos enfrentamos en la realidad casi todo el tiempo. El sistema y sus alrededores no se pueden restaurar a sus estados iniciales.

Sistema isotermo

Hemos discutido el sistema isotérmico en expansión y compresión si tomamos la disposición pistón-cilindro.

Hay algunas suposiciones para este sistema como,

  • No hay fricción entre el pistón y el cilindro.
  • No hay pérdida de calor o trabajo del sistema.
  • La energía interna del sistema debe ser constante durante todo el proceso isotérmico.

Si suministramos calor en la parte inferior del cilindro, entonces el pistón se moverá de BDC a TDC, como se muestra en la Figura. Es una expansión isotérmica. Del mismo modo, en compresión isotérmica inversa, como hemos explicado anteriormente. Este sistema completo es isotérmico.

Módulo de volumen isotérmico

Módulo de volumen es el recíproco de la compresibilidad.

B(isotérmica) = -frac{Delta P}{frac{Delta V}{V}}

Aquí, el término es el módulo de volumen isotérmico. Puede definirse como la relación entre el cambio de presión y el cambio de volumen a una temperatura constante. Es igual a P (presión) si resolvemos la ecuación anterior.

Energía interna isotérmica

Hemos comentado anteriormente que la energía interna del proceso a temperatura constante permanece constante.

Coeficiente de compresibilidad isotérmica

El coeficiente de compresibilidad isotérmica se puede tomar como el cambio de volumen por unidad de cambio de presión. También se conoce como compresibilidad del aceite. Se utiliza ampliamente en la estimación de recursos de petróleo o gas en el estudio del petróleo.

C(isotermo) = -frac{1}{V}cdot frac{Delta P}{Delta V}

Transferencia de calor isotérmica

El proceso de expansión y compresión a temperatura constante funciona según el principio de energía de degradación cero. Si la temperatura es constante, entonces la energía interna cambia y entalpía cambio son cero. Entonces, la transferencia de calor es lo mismo que la transferencia de trabajo.

Si calentamos el gas en cualquier cilindro, la temperatura del gas aumentará. Queremos un sistema a temperatura constante, por lo que tenemos que poner un fregadero (fuente fría) para rechazar la temperatura ganada.

Supongamos que consideramos un cilindro con pistón. El gas se expandirá en el cilindro y el pistón da trabajo de desplazamiento debido al calentamiento. La temperatura también se mantendrá constante en este caso.

Atmósfera isoterma

Se puede definir como que no hay cambio de temperatura con la altura en la atmósfera y la presión disminuye exponencialmente con el movimiento hacia arriba. También se conoce como atmósfera exponencial. Podemos decir que la atmósfera está en equilibrio hidrostático.

En este tipo de atmósfera, podemos calcular el espesor entre dos alturas adyacentes con la ecuación que se da a continuación,

Z2-Z1 =frac{RT}{g} lnfrac{P1}{P2}

Dónde,

Z1 y Z2 son dos alturas diferentes,

P1 y P2 son presiones en Z1 y Z2, respectivamente,

R es la constante de gas para aire seco,

T es la temperatura virtual en K,

g es la aceleración gravitacional en m / s2

Superficie isotérmica

Supongamos que consideramos cualquier superficie plana, circular o curvada, etc. Si todos los puntos de esa superficie están a la misma temperatura, entonces podemos decir que la superficie es isotérmica.

Condiciones isotermas

Como palabra mía, sabemos que la temperatura del sistema debe mantenerse constante en este proceso isotérmico. Para mantener la temperatura constante, el sistema es libre de cambiar otros parámetros como presión, volumen, etc. También es posible durante este proceso, la energía de trabajo y la energía térmica se pueden cambiar, pero la temperatura permanece igual.

Zona isoterma

Esta palabra se usa generalmente en ciencias atmosféricas. Es una zona de la atmósfera donde la temperatura relativa es constante a algún kilómetro de altura. Generalmente, se encuentra en la parte inferior de la estratosfera. Esta zona proporciona condiciones convenientes para la aeronave debido a su temperatura constante, acceso general a nubes y lluvias, etc.

Lineas isotermas

Esta palabra se usa en geografía. Supongamos que dibujamos una línea en un mapa de la Tierra para conectar diferentes lugares cuya temperatura es la misma o cercana a la misma. Se la conoce como línea isotérmica en general.

Aquí, cada punto refleja la temperatura particular para la lectura tomada en un período de tiempo.

Cinturón isotérmico

en 1858 Silas McDowell de Franklin, dado este nombre para los países occidentales de Carolina del Norte, Rutherford y Polk. Este término se usa para una temporada en estas zonas cuando se pueden cultivar frutas, verduras, etc., fácilmente debido a la consistencia de la temperatura.

Isotermo vs isobárico

Isoterma - constante de temperatura

Isobárico - Constante de presión

todo el proceso
Isobárico, Isotérmico y Adiabático procesos en diagrama PV

Comparemos ambos procesos para el trabajo realizado. Según la figura, puedes notar ambos procesos. Como sabemos, ese trabajo realizado es un área bajo la integral. En la figura, podemos ver fácilmente que el área del proceso isobárico es más obvio, el trabajo se realiza más en isobárico. Hay alguna condición para ello. La presión y el volumen iniciales deben ser los mismos. Esto no es cierto porque nunca obtenemos trabajo durante la isobárica en ninguno de los ciclos termodinámicos. Este tema es lógico.

La respuesta correcta depende del tipo de condición en la que el volumen aumenta o disminuye en el proceso.

Isotermo vs isentrópico

Isoterma - constante de temperatura

Isentrópico - Constante de entropía

Consideremos el proceso de compresión para entenderlo,

En compresión isotérmica, el pistón comprime el gas muy lentamente. Tanto lentamente para mantener la temperatura constante del sistema.

Mientras que en el caso de los isentrópicos, no debería haber transferencia de calor posible entre el sistema y el entorno. La compresión isoentrópica ocurrirá sin transferencia de calor con entropía constante.

El proceso isentrópico es similar al adiabático, donde no hay transferencia de calor. El sistema para el proceso isentrópico debe estar bien aislado para evitar la pérdida de calor. El proceso de compresión isentrópica siempre da más trabajo debido a que no hay pérdida de calor.

Preguntas Frecuentes

¿Hay transferencia de calor en el proceso isotérmico?

Respuesta: Sí, ahora la pregunta es ¿por qué y cómo?

Consideremos un ejemplo de pistón-cilindro para entenderlo,

Si se suministra calor a la parte inferior del cilindro. La temperatura se mantendrá constante y el pistón se moverá. O proceso de expansión o compresión. El calor se transfiere, pero la temperatura del sistema permanecerá igual. Es por eso que durante el ciclo de Carnot, se agrega calor a una temperatura constante.

¿Por qué el proceso isotérmico es muy lento?

Es necesario que el proceso Isotérmico ocurra lentamente. Ahora vea, la transferencia de calor es posible manteniendo constante la temperatura del sistema. Significa que hay un equilibrio termal del sistema con el cuerpo. El tiempo del proceso es lento para mantener este equilibrio térmico y temperatura constante. El tiempo requerido para una transferencia de calor efectiva será mayor, lo que ralentizará el proceso.

Problemas de ejemplo de proceso isotérmico

Hay muchas aplicaciones en el día a día con una temperatura constante. Algunos de ellos se explican a continuación,

  • Se mantiene la temperatura dentro del frigorífico
  • Es posible derretir el hielo manteniendo la temperatura constante a 0 ° C
  • El proceso de cambio de fase ocurre a temperatura constante, evaporación y condensación.
  • bomba de calor que funciona opuesto a la refrigeración

¿Cuáles son algunos ejemplos de la vida real de un proceso isotérmico??

Hay una gran cantidad de ejemplos que pueden ser posibles para esta pregunta. Por favor, consulte las preguntas anteriores.

Cualquier proceso de cambio de fase que se produzca a temperatura constante es un ejemplo de proceso isotérmico.

Evaporación de agua de mar y río,

Congelación del agua y fusión del hielo.

¿Por qué el proceso isotérmico es más eficiente que el proceso adiabático?

Consideremos el proceso reversible. Si el proceso es expansión, entonces el trabajo del proceso isotérmico es más que adiabático. Se puede notar por un diagrama. El trabajo realizado es un área bajo la curva.

Supongamos que el proceso es de compresión, luego opuesto a la oración anterior. El trabajo realizado en el proceso adiabático es más.

Juzgar esta cuestión depende de cada condición. Según la condición anterior, el proceso isotérmico es más eficiente que el adiabático.

¿Cuál será el calor específico para un proceso isotérmico un proceso adiabático y por qué?

El calor específico se puede definir como la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de una sustancia en 1 grado.

Q = m Cp DeltaT

Si el proceso es la temperatura constante, el ΔT = 0, entonces el calor específico es indefinido o infinito.

Cp = Infinito (si la temperatura es constante)

Para el proceso adiabático, la transferencia de calor no es posible, Q = 0

Cp = 0 (la transferencia de calor es 0)

En un proceso isotérmico, el cambio en la energía interna es 0 ¿Por qué?

La energía interna es la función de la energía cinética de las moléculas.

La temperatura indica la energía cinética promedio de las moléculas asociadas con el sistema.

Si la temperatura permanece constante, entonces no hay cambio en la energía cinética. Por tanto, la energía interna permanece constante. El cambio de energía interna es cero.

¿Qué es la compresión isotérmica o la compresión isentrópica más eficiente y por qué??

El proceso isoentrópico ocurre a entropía constante sin transferencia de calor. Este proceso es siempre ideal y reversible. En el proceso de compresión isoentrópica, el sistema energía interna está aumentando ya que no hay posibilidad de transferencia de calor entre el sistema y el entorno.

En la compresión isotérmica, el proceso ocurre muy lentamente ya que la temperatura y la energía interna se mantienen constantes. Hay transferencia de calor entre el sistema y el entorno.

Es por eso que el proceso de compresión isentrópica es más eficiente.

¿Tiene un proceso isotérmico un cambio de entalpía?

Podemos entenderlo claramente por la ecuación de entalpía.

La entalpía H se da a continuación,

Cambio de entalpía = cambio de energía interna + cambio de PV

Para procesos de temperatura constante,

Cambio en la energía interna = 0,

Cambio en PV = 0.

Es por eso que cambiar en entalpía = 0

¿Por qué una curva adiabática es más pronunciada que una curva isotérmica??

En el proceso adiabático, la temperatura del sistema aumenta durante la compresión. Está disminuyendo durante la expansión. Debido a esto, esta curva cruza la curva isotérmica en un punto determinado del diagrama.

En isotermo, no hay cambio de temperatura. La curva no se volverá más empinada como adiabática.

¿Qué pasaría si aumento el volumen de un sistema en un proceso isotérmico con energía externa?

 Suponga que aumenta el volumen del sistema. Quieres que el sistema sea isotérmico. Tienes que hacer otro arreglo para mantener la temperatura. El aumento del volumen disminuye la presión.

¿Qué tiene de especial la palabra “reversible” en un proceso isotérmico o adiabático?

El Primer ley de la termodinámica establece que ambos procesos bosquejados en el diagrama PV son medios reversibles. El sistema llegará a su etapa inicial para mantenerse en equilibrio.

¿Por qué isotermo y adiabático en el motor Carnot?

La Ciclo de Carnot es el más eficiente en termodinámica. La razón detrás de esto es que todo el proceso en el ciclo es reversible.

Carnot intentó transferir energía entre dos fuentes a temperatura constante (isoterma).

Intentó maximizar el trabajo de expansión y minimizar la compresión requerida. Seleccionó un proceso adiabático para ello.

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