Wat is een isotherm proces in de natuurkunde?

De natuurkunde bestudeert objecten en systemen om hun bewegingen, temperaturen en andere fysieke kenmerken te meten. Het kan worden toegepast op alles, van eencellige organismen tot mechanische systemen tot planeten, sterren en sterrenstelsels en de processen die hen beheersen. Binnen de fysica is thermodynamica een tak die zich concentreert op veranderingen van energie (warmte) in de eigenschappen van een systeem tijdens elke fysische of chemische reactie. 

Het "isotherme proces", dat is een thermodynamisch proces waarbij de temperatuur van een systeem constant blijft. De overdracht van warmte in of uit het systeem gebeurt zo langzaam dat het thermische evenwicht wordt gehandhaafd. "Thermisch" is een term die de warmte van een systeem beschrijft. "Iso" betekent "gelijk", dus "isotherm" betekent "gelijke warmte", wat het thermische evenwicht definieert.

Het isotherme proces

Over het algemeen is er tijdens een isotherm proces een verandering in interne energie, warmte-energie en werk, hoewel de temperatuur hetzelfde blijft. Iets in het systeem werkt om die gelijke temperatuur te handhaven. Een eenvoudig ideaal voorbeeld is de Carnot-cyclus, die in principe beschrijft hoe een warmtemotor werkt door warmte aan een gas te leveren. Als gevolg hiervan zet het gas uit in een cilinder en dat duwt een zuiger om wat werk te doen. De warmte of het gas moet dan uit de cilinder worden geduwd (of gedumpt) zodat de volgende warmte / expansiecyclus kan plaatsvinden. Dit is bijvoorbeeld wat er in een automotor gebeurt. Als deze cyclus volledig efficiënt is, is het proces isotherm omdat de temperatuur constant wordt gehouden terwijl de druk verandert. 

Overweeg de werking van gassen in een systeem om de basis van het isotherme proces te begrijpen. De interne energie van een Ideaal gas hangt uitsluitend af van de temperatuur, dus de verandering in interne energie tijdens een isotherm proces voor een ideaal gas is ook 0. In een dergelijk systeem voert alle aan een systeem (van gas) toegevoegde warmte werk uit om het isotherme proces te handhaven, zolang de druk blijft constant. In essentie betekent, bij het overwegen van een ideaal gas, werk aan het systeem om de temperatuur te handhaven dat het volume van het gas moet afnemen naarmate de druk op het systeem toeneemt. 

Isotherme processen en toestanden van materie

Isotherme processen zijn talrijk en gevarieerd. Verdamping van water in de lucht is één, net als het koken van water op een specifiek kookpunt. Er zijn ook veel chemische reacties die het thermische evenwicht handhaven, en in de biologie wordt gezegd dat de interacties van een cel met zijn omliggende cellen (of andere materie) een isotherm proces zijn.  

Verdamping, smelten en koken zijn ook "faseveranderingen". Dat wil zeggen, het zijn veranderingen in water (of andere vloeistoffen of gassen) die plaatsvinden bij constante temperatuur en druk. 

Een isotherm proces in kaart brengen

In de natuurkunde gebeurt het in kaart brengen van dergelijke reacties en processen met behulp van diagrammen (grafieken). In een fasediagram wordt een isotherm proces in kaart gebracht door een verticale lijn (of vlak, in een 3D-fasediagram) te volgen langs een constante temperatuur. De druk en het volume kunnen veranderen om de temperatuur van het systeem te handhaven.

Terwijl ze wel veranderen, is het mogelijk dat een stof zijn materietoestand verandert, zelfs terwijl de temperatuur constant blijft. De verdamping van water tijdens het koken betekent dus dat de temperatuur hetzelfde blijft als het systeem de druk en het volume verandert. Dit wordt vervolgens in kaart gebracht met de temperatuur constant langs het diagram. 

Wat het allemaal betekent

Wanneer wetenschappers isotherme processen in systemen bestuderen, onderzoeken ze echt warmte en energie en de samenhang tussen deze en de mechanische energie die nodig is om de temperatuur van een systeem te veranderen of te handhaven. Dit begrip helpt biologen te bestuderen hoe levende wezens hun temperaturen reguleren. Het speelt ook een rol in engineering, ruimtewetenschap, planetaire wetenschap, geologie en vele andere takken van wetenschap. Thermodynamische krachtcycli (en dus isotherme processen) zijn het basisidee achter warmtemotoren. Mensen gebruiken deze apparaten om elektrische centrales aan te drijven en, zoals hierboven vermeld, auto's, vrachtwagens, vliegtuigen en andere voertuigen. Bovendien bestaan ​​dergelijke systemen op raketten en ruimtevaartuigen. Ingenieurs passen principes van thermisch beheer (met andere woorden, temperatuurbeheer) toe om de efficiëntie van deze systemen en processen te verhogen. 

Bewerkt en bijgewerkt door Carolyn Collins Petersen.