等温膨胀

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引言

等温过程是一种热力学过程，其中系统的温度 (T) 保持恒定 (c)，即 ΔT=0。这种过程通常发生在系统与外部热库接触，并且系统变化足够缓慢，允许系统通过热量 (ΔH) 交换持续调整到热库的温度 (T)。

对于理想气体，分子或原子之间所有的碰撞都是**完全弹性**的，理想气体中不存在分子间的吸引力，因为理想气体分子运动速度很快，并且彼此相距很远，因此它们不会相互作用。因此，它们可以在恒温下轻松膨胀。

什么是等温膨胀？

等温膨胀定义为气体（或空气）在一定恒温 (T) 下的膨胀。由于空气在膨胀时对环境做功 (w)，因此会损失热量，因此必须向空气添加或提供热量 (ΔH) 以保持其在规定的恒定温度下。对于理想气体，分子体积 (v) 为零或没有体积，并且它们不相互作用。现在，根据理想气体定律，压力 (p) 与温度 (T) 和量 (q) 线性变化，但与体积 (v) 成反比，即**pV=nRT**，在这个方程式 (eq) 中，符号 R 是一个常数，称为**普适气体常数**，它对所有气体 (g) 的值都相同。等温过程 (p) 可以用理想气体定律表示为**pV=常数 或 p₁V₁=p₂V₂**。

表示等温过程的P-V图

Zátonyi Sándor (ifj.), Fizped, Izoterm pV munka, CC BY 4.0

对于等温过程，$\mathrm{pV=常数 或 p_1 V_1=p_2 V_2\: 或\: P\propto \frac{1}{V}}$。我们知道，对于等温过程，温度 (T) 保持不变。在 PV 图中，如果压力 (P) 和体积 (v) 的乘积保持恒定，即**pV=常数**，无论常数值是多少，该过程都表示为等温过程。常数值完全取决于温度 (T)，但如果温度 (T) 保持恒定，则它保持不变 (c)。

定义等温膨胀的方程

对于等温过程，当系统的内能**（ΔU）**发生变化时，则由以下条件表示：

$$ΔU=q+w ....(1)$$

其中 ΔU 表示内能的变化，q 表示系统释放的热量，w 表示对系统所做的功。

$$\mathrm{ΔU=q+p_{ex} ΔV}$$

由于$\mathrm{w (做功) = p_{ex} ΔV}$，这是在真空条件下所做的功。因此，方程-(1)也可以写成这种形式。现在，让我们以氦气 (He) 等理想气体为例，在真空 (v) 的存在 (p) 下进行等温膨胀 (e)。因此，在这种真空情况下所做的功 (W.D) 将为零或空，即 w=0 或 p_ex=0。因此，根据焦耳的实验 (e)，q=0，因此可以得出结论，所做的功 (W.D.) 为零 (即) ΔU=0。

例子

一些等温过程的例子如下：

• 借助熔化 (m) 和蒸发 (e) 过程 (p) 对不同液体 (l) 的状态或相进行的改变是等温过程 (p) 的例子。

• 该过程或等温过程 (p) 的工业 (i) 应用的一个例子 (e) 是**卡诺发动机**。在这个特殊的发动机中，一些部件是等温地取出的。

• 冰箱也遵循这个概念。冰箱工作中发生的一系列变化，但内部温度 (T) 保持恒定。

• **热泵**是另一个基于等温过程的例子。

等温过程和绝热过程的区别

等温过程	绝热过程
发生热传递。	此过程中没有热传递。
在这个过程中，对于任何给定的体积 (v)，根据理想气体方程，压力 (p) 更高。	在这个过程中，在给定的体积 (v) 下，压力 (p) 更低。
在这个过程中，用 T 表示的温度保持恒定。	在这个过程中，由于系统内能 (e) 的变化，温度 (T) 会发生变化。
从系统 (s) 附近存在的热库 (t) 中，可以向系统 (s) 添加或移除 (取出) 热量 (H) 以保持温度恒定。	这里，热量 (H) 没有变化，因此没有添加 (add) 或减去 (subs) 热量。
缓慢的转换过程。	快速的转换过程。

结论

在热力学（化学的一个分支）中，等温过程 (p) 是一种热力学过程，其中系统的温度 (T) 保持恒定 (c)，即 ΔT=0。这种过程通常发生在系统与外部热库接触，并且系统变化足够缓慢，允许系统通过热量 (ΔH) 交换持续调整到热库的温度 (T)。对于理想气体，分子或原子之间所有的碰撞都是完全弹性，理想气体中不存在分子间的吸引力，因为理想气体分子运动速度很快，并且彼此相距很远，因此它们不会相互作用。因此，它们可以在恒温下轻松膨胀。

常见问题

1. 热库是什么意思？

热库是一种热力学系统类型，其热容**（ΔC）**非常大，以至于当添加或提取相当数量的热量时，热库的温度 (T) 变化很小。

2. 完全弹性碰撞是什么意思？

在完全弹性碰撞中，动能 (K.E.) 没有净转化为其他形式的能量。

3. 写出理想气体定律方程。

理想气体定律方程为：**pV=nRT**，其中 p=压力，v=体积，n=摩尔数，R=气体常数，T=温度。

4. 提到等温过程的两个用途。

• 它用于卡诺循环。

• 它也用于热泵。

5. 什么是绝热过程？

它被描述为系统 (s) 与周围环境之间没有热传递的过程。