物理学における等温過程とは何ですか?

一定の温度を維持しながら圧力が時間とともに変化する等温プロセスのグラフ。

青木裕太/ウィキメディア・コモンズ/ CC BY-SA 3.0

物理学では、オブジェクトとシステムを研究して、その動き、温度、およびその他の物理的特性を測定します。単細胞生物から機械系、惑星、星、銀河、そしてそれらを支配するプロセスまで、あらゆるものに適用できます。物理学の中で、熱力学は変化に集中する分野です物理的または化学的反応中のシステムの特性におけるエネルギー（熱）の。

システムの温度が一定に保たれる熱力学的プロセスである「等温プロセス」。の 熱の移動 システムへの出入りは非常にゆっくりと行われるため、 熱平衡 維持されている。 「熱」は、システムの熱を表す用語です。 'Iso' は '等しい' を意味するので、'isothermal' は '等しい熱' を意味し、これが熱平衡を定義します。

等温プロセス

一般に、等温プロセス中に内部に変化があります エネルギー 、 熱エネルギー 、 と 仕事 、たとえ温度が同じままであっても。システム内の何かが、その同じ温度を維持するために機能します。単純な理想的な例の 1 つはカルノー サイクルです。これは、ガスに熱を供給することによって熱機関がどのように機能するかを基本的に説明しています。その結果、ガスはシリンダー内で膨張し、ピストンを押して仕事をします。次に、次の熱/膨張サイクルが発生できるように、熱またはガスをシリンダーから押し出す (または排出する) 必要があります。これは、例えば自動車のエンジン内部で起こっていることです。このサイクルが完全に効率的である場合、圧力が変化しても温度が一定に保たれるため、プロセスは等温になります。

等温プロセスの基本を理解するために、システム内のガスの作用を考えてみましょう。の内部エネルギー 理想気体 温度のみに依存するため、等温プロセス中の内部エネルギーの変化は 理想気体 も 0 です。このようなシステムでは、(ガスの) システムに追加されたすべての熱は、圧力が一定である限り、等温プロセスを維持する仕事を行います。基本的に、理想気体を考えるとき、温度を維持するためにシステムで行われる作業は、システムの圧力が増加するにつれて気体の体積が減少する必要があることを意味します。

等温プロセスと物質の状態

等温プロセスは数多くあり、さまざまです。特定の沸点での水の沸騰と同様に、空気中への水の蒸発もその 1 つです。熱平衡を維持する多くの化学反応もあり、生物学では、細胞と周囲の細胞 (またはその他の物質) との相互作用は等温プロセスであると言われています。

蒸発、融解、沸騰も「相変化」です。つまり、一定の温度と圧力で起こる水 (または他の流体や気体) への変化です。

等温プロセスのグラフ化

物理では、このような反応や過程を図表（グラフ）で表します。で 相図 、等温プロセスは、垂直線 (または平面、3D 相図 ) 一定温度に沿って。システムの温度を維持するために、圧力と体積を変更できます。

それらが変化するにつれて、物質が変化する可能性があります 物質の状態 その温度が一定のままであっても。したがって、水が沸騰するにつれて蒸発するということは、システムの圧力と体積が変化しても温度が同じままであることを意味します。これは、図に沿って一定に保たれたままの温度でグラフ化されます。

それが意味すること

科学者がシステムの等温プロセスを研究するとき、実際には熱とエネルギー、およびそれらとシステムの温度を変化または維持するために必要な機械的エネルギーとの関係を調べています。このような理解は、生物が体温を調節する方法を生物学者が研究するのに役立ちます。また、工学、宇宙科学、惑星科学、地質学、およびその他の多くの科学分野にも影響を及ぼします。熱力学的パワー サイクル (したがって等温プロセス) は、熱機関の背後にある基本的な考え方です。人間はこれらのデバイスを使用して発電所に電力を供給し、前述のように、自動車、トラック、飛行機、その他の車両に電力を供給します。さらに、そのようなシステムはロケットや宇宙船にも存在します。エンジニアは、熱管理 (つまり、温度管理) の原則を適用して、これらのシステムとプロセスの効率を高めます。

によって編集および更新されましたキャロリン・コリンズ・ピーターセン.