熱力学的プロセスとは

そして、主なタイプは何ですか？

自動車のエンジンは熱機関の一種です。アルトゥール・アジスカニアン/ EyeEm /ゲッティイメージズ

システム内である種のエネルギー変化が発生すると、システムは熱力学的プロセスを経ます。これは一般に、圧力、体積、 内部エネルギー 、温度またはあらゆる種類の 熱伝達 .

熱力学プロセスの主な種類

熱力学の研究で一般的に扱われるほど頻繁に (そして実際の状況で) 発生する特定のタイプの熱力学的プロセスがいくつかあります。それぞれには、それを識別する独自の特性があり、プロセスに関連するエネルギーと仕事の変化を分析するのに役立ちます.

• 断熱過程 - システムへの、またはシステムからの熱伝達がないプロセス。
• 等積過程 - ボリュームが変化しないプロセス。この場合、システムは機能しません。
• 等圧プロセス - 圧力が変化しないプロセス。
• 等温プロセス - 温度変化のないプロセス。

1 つのプロセス内に複数のプロセスを含めることができます。最も明白な例は、体積と圧力が変化し、温度や熱伝達が変化しない場合です。このようなプロセスは、断熱と等温の両方になります。

熱力学の第一法則

数学的に言えば、 熱力学第一法則 次のように記述できます。

デルタ- の = Q - の また Q = デルタ- の + の
どこ

• デルタ- の = システムの内部エネルギーの変化
• Q = システム内外への熱伝達。
• の = システムによって、またはシステム上で行われる作業。

上記の特殊な熱力学的プロセスの 1 つを分析すると、(常にではありませんが) 非常に幸運な結果が得られることがよくあります。これらの量の 1 つです。 ゼロになる !

たとえば、断熱プロセスでは熱伝達がないため、 Q = 0 となり、内部エネルギーと仕事の間の非常に単純な関係が得られます: デルタ- Q = - の .これらのプロセスの固有の特性に関するより具体的な詳細については、これらのプロセスの個々の定義を参照してください。

可逆プロセス

ほとんどの熱力学的プロセスは、ある方向から別の方向に自然に進行します。つまり、優先方向があります。

熱は、高温の物体から低温の物体に流れます。気体は膨張して部屋を満たしますが、自発的に収縮して小さな空間を満たすことはありません。機械エネルギーは完全に熱に変換できますが、熱を完全に機械エネルギーに変換することは事実上不可能です。

ただし、一部のシステムは可逆プロセスを経ます。一般に、これは、システム自体の内部と周囲の両方で、システムが常に熱平衡に近い場合に発生します。この場合、システムの条件に対するごくわずかな変更により、プロセスが逆方向に進む可能性があります。そのため、可逆プロセスは、 平衡プロセス .

例 1: 2 つの金属 (A と B) が熱的に接触しており、 熱平衡 .金属 A は微量に加熱されるため、そこから金属 B に熱が流れます。このプロセスは、A を微量に冷却することで逆転できます。この時点で、熱は B から A に流れ始め、再び熱平衡に達します。 .

例 2: 気体は、可逆過程でゆっくりと断熱的に膨張します。圧力をごくわずかに増加させることにより、同じガスがゆっくりと断熱的に圧縮され、初期状態に戻ることができます。

これらはやや理想化された例であることに注意してください。実際には、熱平衡状態にあるシステムは、これらの変化のいずれかが導入されると、熱平衡状態ではなくなります...したがって、プロセスは実際には完全に可逆的ではありません.それは 理想化されたモデル しかし、実験条件を注意深く制御することで、完全に可逆的であることに非常に近いプロセスを実行することができます。

不可逆過程と熱力学第二法則

もちろん、ほとんどのプロセスは 不可逆的なプロセス （また 非平衡プロセス ）。ブレーキの摩擦を車に使用することは、不可逆的なプロセスです。風船から部屋に空気を放出させることは、不可逆的なプロセスです。熱いセメントの通路に氷のブロックを置くことは、不可逆的なプロセスです。

全体として、これらの不可逆的なプロセスは、熱力学の第 2 法則の結果です。 エントロピ 、またはシステムの無秩序。

熱力学の第 2 法則を表現する方法はいくつかありますが、基本的には、熱伝達の効率に制限を設けます。熱力学の第 2 法則によれば、このプロセスでは常にいくらかの熱が失われるため、現実の世界で完全に可逆的なプロセスを行うことは不可能です。

熱機関、ヒートポンプ、およびその他のデバイス

熱を部分的に仕事または機械的エネルギーに変換するデバイスを 熱機関 .熱機関は、ある場所から別の場所に熱を移動させ、途中で何らかの仕事を行うことでこれを行います。

熱力学を使用して、分析することが可能です 熱効率 これは、ほとんどの物理学の入門コースで扱われるトピックです。以下は、物理学のコースで頻繁に分析される熱機関の一部です。

内燃機関- 自動車で使用されるような燃料駆動エンジン。 「オットー サイクル」は、通常のガソリン エンジンの熱力学的プロセスを定義します。 「ディーゼルサイクル」とは、ディーゼルエンジンを意味します。冷蔵庫- 逆に熱機関である冷蔵庫は、寒い場所 (冷蔵庫の内側) から熱を受け取り、暖かい場所 (冷蔵庫の外側) に移動します。ヒートポンプ- ヒートポンプは、外気を冷却して建物を暖房するために使用される、冷蔵庫に似た熱機関の一種です。

カルノーサイクル

1924 年、フランスのエンジニア、サディ カルノーは、熱力学の第 2 法則と一致する最大効率を実現する、理想化された架空のエンジンを作成しました。彼は自分の効率について次の式にたどり着きました。 と _カルノー:

と _カルノー= ( T _ひ- T _ハ) / T _ひ

T _ひと T _ハは、それぞれ高温貯水池と低温貯水池の温度です。非常に大きな温度差で、高効率が得られます。温度差が少ないと効率が悪くなります。次の場合、効率は 1 (100% の効率) になります。 T _ハ= 0 (つまり 絶対値 ）これは不可能です。