QUÁ TRÌNH ĐẲNG NHIỆT LÀ GÌ? (VÍ DỤ, BÀI TẬP) - VẬT LÝ - 2025

Quá trình đẳng nhiệt hay đẳng nhiệt là một quá trình nhiệt động thuận nghịch, trong đó nhiệt độ không đổi. Trong một chất khí, có những trường hợp mà sự thay đổi trong hệ không tạo ra sự thay đổi về nhiệt độ, nhưng tạo ra các đặc tính vật lý.

Những thay đổi này là sự thay đổi pha, khi chất chuyển từ rắn sang lỏng, từ lỏng sang khí hoặc ngược lại. Trong những trường hợp như vậy, các phân tử của chất điều chỉnh lại vị trí của chúng, bổ sung hoặc chiết xuất nhiệt năng.

Hình 1. Các băng nóng chảy là một ví dụ của quá trình đẳng nhiệt. Nguồn: Pixabay.

Nhiệt năng cần thiết để xảy ra sự thay đổi pha trong một chất được gọi là nhiệt tiềm ẩn hay nhiệt chuyển hóa.

Một cách để tạo ra quá trình đẳng nhiệt là đặt chất sẽ là hệ đang nghiên cứu tiếp xúc với một bình chứa nhiệt bên ngoài, là một hệ khác có nhiệt lượng cao. Bằng cách này, sự trao đổi nhiệt chậm như vậy xảy ra mà nhiệt độ không đổi.

Loại quá trình này xảy ra thường xuyên trong tự nhiên. Ví dụ, ở con người khi nhiệt độ cơ thể tăng hoặc giảm chúng ta cảm thấy ốm, vì trong cơ thể chúng ta có nhiều phản ứng hóa học duy trì sự sống diễn ra ở một nhiệt độ không đổi. Điều này đúng với động vật máu nóng nói chung.

Các ví dụ khác là nước đá tan ra khi nóng khi mùa xuân đến và đá viên làm mát đồ uống.

-Sự trao đổi chất của động vật máu nóng được thực hiện ở nhiệt độ không đổi.

Hình 2. Động vật máu nóng có cơ chế giữ nhiệt độ không đổi. Nguồn: Wikimedia Commons.

-Khi nước sôi, sự thay đổi pha xảy ra, từ lỏng sang khí và nhiệt độ không đổi ở khoảng 100 º C, vì các yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến giá trị.

-Làm băng là một quá trình đẳng nhiệt phổ biến khác, cũng như cho nước vào tủ đông để làm đá viên.

-Động cơ đầu máy, tủ lạnh cũng như nhiều loại máy móc khác hoạt động chính xác trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Các thiết bị được gọi là bộ điều nhiệt được sử dụng để duy trì nhiệt độ thích hợp. Các nguyên tắc hoạt động khác nhau được sử dụng trong thiết kế của nó.

Chu trình Carnot

Động cơ Carnot là một cỗ máy lý tưởng mà từ đó công việc có được nhờ các quá trình hoàn toàn thuận nghịch. Nó là một cỗ máy lý tưởng vì nó không xem xét các quá trình tiêu hao năng lượng, chẳng hạn như độ nhớt của chất thực hiện công việc, cũng như ma sát.

Chu trình Carnot bao gồm bốn giai đoạn, hai trong số đó là đẳng nhiệt chính xác và hai giai đoạn còn lại là đoạn nhiệt. Các giai đoạn đẳng nhiệt là sự nén và giãn nở của một chất khí có nhiệm vụ tạo ra công hữu ích.

Động cơ ô tô hoạt động theo nguyên tắc tương tự. Chuyển động của pít-tông bên trong xi-lanh được truyền đến các bộ phận khác của ô tô và tạo ra chuyển động. Nó không có hoạt động của một hệ thống lý tưởng như động cơ Carnot, nhưng các nguyên tắc nhiệt động lực học là phổ biến.

Tính công thực hiện trong quá trình đẳng nhiệt

Để tính công được thực hiện bởi một hệ thống khi nhiệt độ không đổi, chúng ta phải sử dụng định luật đầu tiên của nhiệt động lực học, trong đó phát biểu:

Đây là một cách khác để thể hiện sự bảo toàn năng lượng trong hệ thống, được trình bày thông qua ΔU hoặc sự thay đổi năng lượng, Q là nhiệt cung cấp và cuối cùng là W, là công được thực hiện bởi hệ thống này.

Giả sử rằng hệ trong câu hỏi là một khí lý tưởng chứa trong xi lanh của một pít tông chuyển động có diện tích A, khí này hoạt động khi thể tích V của nó thay đổi từ V ₁ đến V _2.

Hình 3. Trong quá trình đẳng nhiệt, chất khí nở ra trong piston mà nhiệt độ không thay đổi. Nguồn: youtube.

Phương trình trạng thái của khí lý tưởng là PV = nRT, liên hệ giữa thể tích với áp suất P và nhiệt độ T. Giá trị của n và R không đổi: n là số mol khí và R là hằng số của các khí. Trong trường hợp của quá trình đẳng nhiệt, sản phẩm PV là không đổi.

Chà, công thực hiện được tính bằng cách tích phân công nhỏ, trong đó lực F tạo ra chuyển vị nhỏ dx:

Vì Adx chính xác là biến thể âm lượng dV, nên:

Để có được tổng công trong một quá trình đẳng nhiệt, chúng tôi tích hợp biểu thức cho dW:

Áp suất P và thể tích V được vẽ trên biểu đồ PV như biểu đồ trong hình, và công được thực hiện bằng diện tích dưới đường cong:

Hình 4. Sơ đồ PV của một quá trình đẳng nhiệt. Nguồn: Wikimedia Commons.

Vì ΔU = 0 vì nhiệt độ không đổi nên trong quá trình đẳng nhiệt ta có:

- Bài tập 1

Một xilanh có gắn một pít tông chuyển động chứa một lượng khí lý tưởng ở 127ºC. Nếu pittông chuyển động giảm thể tích ban đầu 10 lần, giữ nhiệt độ không đổi, tìm số mol khí có trong xilanh, nếu công thực hiện công trên khí là 38,180 J.

Dữ liệu : R = 8,3 J / mol. K

Giải pháp

Tuyên bố nói rằng nhiệt độ không đổi, do đó chúng ta đang tồn tại một quá trình đẳng nhiệt. Đối với công thực hiện trên chất khí, chúng ta có phương trình suy ra trước đó:

127 º C = 127 + 273 K = 400 K

Giải cho n, số mol:

n = W / RT ln (V2 / V1) = -38 180 J / 8,3 J / mol. K x 400 K x ln (V ₂ / 10V ₂ ) = 5 mol

Công việc được đặt trước bởi một dấu hiệu tiêu cực. Người đọc chú ý sẽ nhận thấy trong phần trước rằng W được định nghĩa là “công việc được thực hiện bởi hệ thống” và có dấu +. Vì vậy “công việc được thực hiện trên hệ thống” có dấu hiệu tiêu cực.

- Bài tập 2

Bạn có không khí trong một xi lanh được gắn với một pít tông. Ban đầu có 0,4 m ³ khí ở áp suất 100 kPa và nhiệt độ 80ºC. Không khí được nén đến 0,1 m ³ đảm bảo rằng nhiệt độ bên trong xi lanh không đổi trong suốt quá trình.

Xác định có bao nhiêu công việc được thực hiện trong quá trình này.

Giải pháp

Chúng tôi sử dụng phương trình cho công việc suy ra trước đó, nhưng số mol chưa biết, có thể được tính bằng phương trình khí lý tưởng:

80 º C = 80 + 273 K = 353 K.

P ₁ V ₁ = nRT → n = P ₁ V ₁ / RT = 100000 Pa x 0,4 m ³ / 8,3 J / mol. K x 353 K = 13,65 mol

W = nRT ln (V ₂ / V ₁ ) = 13,65 mol x 8,3 J / mol. K x 353 K x ln (0,1 /0,4) = -55.442,26 J

Một lần nữa, dấu âm chỉ ra rằng công việc đã được thực hiện trên hệ thống, điều này luôn xảy ra khi khí được nén.

Người giới thiệu

1. Bauer, W. 2011. Vật lý cho Kỹ thuật và Khoa học. Tập 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Nhiệt động lực học. Bản 7 ^ma . Đồi McGraw.
3. Figueroa, D. (2005). Loạt bài: Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 4. Chất lỏng và Nhiệt động học. Biên tập bởi Douglas Figueroa (USB).
4. Knight, R. 2017. Vật lý cho các nhà khoa học và kỹ thuật: Phương pháp tiếp cận chiến lược.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Cơ bản về Vật lý. 9 ^na Cengage Learning.
6. Wikipedia. Quá trình đẳng nhiệt. Được khôi phục từ: en.wikipedia.org.