عملیات گاز تحت فرایندهای ایزوبار، ایزوترمال و آدیاباتیک

در قلب تقریبا هر عملیات حرارتی یک پدیده ترمودینامیکی است، مانند کارهایی که در طول انبساط یا فشرده سازی انجام می شود. در اینجا به یاد داشته باشید که در فیزیک، اندازه گیری کمی به عنوان کار تعریف شده است، مشخصه عمل یک نیروی خاص بر روی بدن. مطابق با این، کار گاز، یک شرط لازم برای تحقق آن تغییر در حجم آن است، چیزی جز تولید فشار بر این تغییر حجم نیست.

کار گاز با تغییر حجم آن می تواند هر دو ایزاباریک و ایزوترمال باشد. علاوه بر این، روند توسعه واقعی می تواند ماهیت دلخواه باشد. کار گاز که در زیر انبساط ایزابار اتفاق می افتد، می تواند با فرمول زیر یافت شود:

A = pΔV،

در آن p مقدار مشخصی از فشار گاز است و ΔV تفاوت بین حجم اولیه و نهایی است.

فرایند گسترش گاز دلخواه در فیزیک معمولا به عنوان دنباله ای از فرایندهای فردی و ایزووریک است. دومی با این واقعیت مشخص می شود که کار گاز مانند شاخص های کمی آن صفر است، زیرا پیستون در سیلندر حرکت نمی کند. در چنین شرایطی، معلوم می شود که عملیات گاز در یک فرآیند دلخواه مستقیما با افزایش حجم رگ تغییر می کند که در آن پیستون حرکت می کند.

اگر ما کار انجام شده توسط گاز را در طول انبساط و فشرده سازی مقایسه کنیم، می توان اشاره کرد که در حال گسترش جهت بردار جابجایی پیستون با بردار نیروی فشار این گاز است، بنابراین در محاسبات اسکالر، کار گاز مثبت است و نیروی خارجی منفی است. هنگامی که گاز با جهت عمومی جابه جایی سیلندر فشرده می شود، بردار نیروهای خارجی هماهنگ می شود و بنابراین کار آنها مثبت است و کار گاز منفی است.

در نظر گرفتن مفهوم "کار با گاز" ناقص خواهد بود، اگر نه بر روی فرایندهای آدیاباتیک تاثیر می گذارد. این پدیده در ترمودینامیک به عنوان یک فرایند در نظر گرفته شده است که هیچ تبادل حرارتی با هیچ بدنه خارجی وجود ندارد. به عنوان مثال، این امکان وجود دارد، در صورتی که کشتی با پیستون کار با عایق حرارتی خوب ارائه شده است. علاوه بر این، فرایندهای فشرده سازی یا گسترش گاز می تواند به آدیاباتیک معادل باشد اگر زمان تغییر حجم گاز بسیار کمتر از فاصله زمانی است که در آن تعادل حرارتی بین اجسام اطراف و گاز اتفاق می افتد.

شایع ترین فرایند آدیاباتیک در زندگی روزمره می تواند کار یک پیستون در یک موتور احتراق داخلی باشد. ماهيت اين فرآيند به شرح زير است: همانطور كه از اولين قانون ترموديناميك شناخته شده است، تغيير در انرژي داخلي گاز به لحاظ كمي برابر با كار نيروهايي است كه از خارج انجام مي شود. این کار در جهت آن مثبت است، بنابراین انرژی داخلی گاز افزایش می یابد و درجه حرارت آن افزایش می یابد. در چنین شرایط اولیه، واضح است که در زیر گسترش آدیاباتیک، گاز با کاهش انرژی داخلی خود کار خواهد کرد، در نتیجه دما در این روند کاهش خواهد یافت.