Proceso isotérmico
Un proceso isotérmico es un proceso termodinámico , en el que la temperatura del sistema permanece constante (T = constante). La transferencia de calor dentro o fuera del sistema generalmente debe ocurrir a una velocidad tan lenta para ajustarse continuamente a la temperatura del depósito a través del intercambio de calor. En cada uno de estos estados se mantiene el equilibrio térmico .
Para un proceso ideal de gas y politrópico, el caso n = 1 corresponde a un proceso isotérmico (temperatura constante). A diferencia del proceso adiabático , en el que n = κ y un sistema no intercambia calor con su entorno (Q = 0; ∆T ≠ 0 ) , en un proceso isotérmico no hay cambio en la energía interna (debido a ∆T = 0 ) y, por lo tanto, ΔU = 0 (para gases ideales) y Q ≠ 0. Un proceso adiabático no es necesariamente un proceso isotérmico, ni un proceso isotérmico es necesariamente adiabático.
En ingeniería, los cambios de fase, como la evaporación o la fusión, son procesos isotérmicos cuando, como suele ser el caso, ocurren a presión y temperatura constantes.
Expansión Isotérmica – Compresión Isotérmica
Ver también: ¿Qué es un gas ideal?
En un gas ideal , las moléculas no tienen volumen y no interactúan. Según la ley de los gases ideales , la presión varía linealmente con la temperatura y la cantidad, e inversamente con el volumen .
pV = nRT
dónde:
- p es la presión absoluta del gas
- n es la cantidad de sustancia
- T es la temperatura absoluta
- V es el volumen
- R es la constante de gas ideal, o universal, igual al producto de la constante de Boltzmann y la constante de Avogadro,
En esta ecuación, el símbolo R es una constante llamada constante de gas universal que tiene el mismo valor para todos los gases, es decir, R = 8.31 J / mol K.
El proceso isotérmico se puede expresar con la ley de los gases ideales como:
pV = constante
o
p 1 V 1 = p 2 V 2
En un diagrama de pV, el proceso se produce a lo largo de una línea (llamada una isoterma) que tiene la ecuación p = constante / V .
Ejemplo de proceso isotérmico
Suponga una expansión isotérmica de helio (i → f) en un pistón sin fricción (sistema cerrado). La expansión del gas es impulsada por la absorción de energía térmica Q add . El gas se expande desde el volumen inicial de 0.001 m 3 y simultáneamente la carga externa del pistón disminuye lenta y continuamente de 1 MPa a 0.5 MPa. Dado que el helio se comporta casi como un gas ideal, use la ley del gas ideal para calcular el volumen final de la cámara y luego calcule el trabajo realizado por el sistema, cuando la temperatura del gas es igual a 400 K.
Solución:
El volumen final del gas, V f , puede calcularse utilizando la relación p, V, T para el proceso isotérmico:
p i V i = p f V f ⇒ V f = p i V i / p f = 2 x 0.001 m 3 = 0.002 m 3
Para calcular tales procesos, necesitaríamos saber cómo la presión varía con el volumen para el proceso real por el cual el sistema cambia del estado i al estado f . Como durante este proceso la presión interna no fue constante, el trabajo p∆V realizado por el pistón debe calcularse utilizando la siguiente integral:
Por convención, un valor positivo para el trabajo indica que el trabajo lo realiza el sistema en su entorno. Un valor negativo indica que el trabajo se realiza en el sistema por su entorno. El trabajo pΔV es igual al área bajo la curva de proceso trazada en el diagrama de presión-volumen.
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