Proceso isotermo

Un proceso isotérmico es en termodinámica una transformación química o física de un sistema durante la cual la temperatura del sistema es constante y uniforme.

Descripción

Para asegurar la invariancia de temperatura, debe haber transferencia de calor , o energía térmica, entre el sistema y el exterior. Una transferencia de calor es proporcional a la diferencia de temperatura, se detiene naturalmente cuando las temperaturas son iguales. Si una barrera aislante ralentiza la transferencia de calor, existe una diferencia de temperatura que dura un cierto tiempo. Para que la diferencia de temperatura se mantenga en cero, la transferencia de calor necesaria para compensar esta diferencia debe ser inmediata, sin ningún freno. En otras palabras, la variación de temperatura permanece cero (ΔT = 0) si y solo si el calor intercambiado entre el sistema y el exterior es máximo.

La cantidad de calor transferido puede ser cero si el proceso observado no causa una diferencia de temperatura. El proceso isotérmico se caracteriza por la libertad del flujo de energía térmica, la ausencia de frenos, resistencia o aislamiento.

Durante un proceso isotérmico, la temperatura del sistema es constante, lo que implica que la transformación es cuasiestática y reversible. Un proceso isotérmico se diferencia de un proceso monotérmico en el que la temperatura también es la misma al inicio y al final de la transformación, pero puede variar durante la misma.

Aplicación a gases ideales

En el caso de un gas ideal :

p = {nRT \ sobre V}

o :

$pag$ es la presión del gas (en pascales );
$V$ es el volumen ocupado por el gas (en metros cúbicos );
$no$ es la cantidad de materia (en moles );
$R$ es la constante universal de los gases ideales (en julios por mol y por kelvin );
$T$ es la temperatura absoluta (en Kelvin ).

Esto corresponde a una familia de curvas de temperatura constante que se pueden trazar en un diagrama termodinámico pV o diagrama de Clapeyron . James Watt utilizó por primera vez un gráfico de este tipo para conocer la eficiencia de las máquinas de vapor. Cada curva corresponde a una temperatura determinada.

El cálculo del trabajo en termodinámica corresponde al cambio de energía potencial entre el estado en y el de : $A$ $B$

{\ Displaystyle W_ {A \ to B} = - \ int _ {V_ {A}} ^ {V_ {B}} p \, \ mathrm {d} V}

Para un proceso isotérmico reversible, esto corresponde a la integral del área bajo la línea isotérmica representada por una temperatura dada en el diagrama anterior:

{\ Displaystyle W_ {A \ to B} = - \ int _ {V_ {A}} ^ {V_ {B}} p \, \ mathrm {d} V = - \ int _ {V_ {A}} ^ { V_ {B}} {nRT \ sobre V} \ mathrm {d} V = -nRT \ int _ {V_ {A}} ^ {V_ {B}} {1 \ sobre V} \ mathrm {d} V = - nRT \ ln {V_ {B} \ over V_ {A}}}

Comparación del trabajo entre proceso isotérmico y proceso adiabático

Se toma como referencia teórica ideal el proceso adiabático , que muestra el comportamiento sin pérdida térmica, lo que numéricamente se traduce en una eficiencia energética de exactamente el 100%.

El trabajo requerido para la compresión isotérmica es mayor que el trabajo requerido para la misma compresión adiabática. En el caso adiabático, el gas se calienta por compresión y su temperatura final es superior a su temperatura inicial. En el caso isotérmico, el calor se deja salir del sistema: el trabajo adicional observado en relación a la compresión adiabática corresponde al calor perdido por el sistema. De esto se deduce que la eficiencia energética teórica de una compresión isotérmica es inferior al 100%, lo que se encuentra por ejemplo en el estudio del ciclo de Carnot.

El trabajo resultante de una expansión isotérmica es mayor que el trabajo resultante de la misma expansión adiabática. En el caso adiabático, el gas se enfría por expansión y su temperatura final es menor que su temperatura inicial. En el caso isotérmico, se permite que el calor ingrese al sistema: el trabajo adicional observado en relación a la expansión adiabática corresponde al calor ganado por el sistema. De esto se deduce que la eficiencia energética teórica de una expansión isotérmica es superior al 100%, lo que se encuentra por ejemplo en el estudio de una máquina frigorífica.

Aplicaciones

El proceso isotérmico está involucrado en varias aplicaciones técnicas y biológicas:

en una máquina térmica , dos partes del ciclo de Carnot son isotérmicas;
las transiciones de fase ( fusión , vaporización , condensación , etc. ) son isotérmicas.