Quá trình điều nhiệt

Quá trình điều nhiệt (tiếng Anh: isothermal process) là quá trình mà trạng thái của khí thay đổi nhưng nhiệt độ luôn được duy trì không đổi.

Liên hệ giữa thể tích khí và áp suất trong quá trình điều nhiệt

Thực hiện thí nghiệm ảo với một xi lanh đặt trong môi trường có nhiệt độ ổn định, bên trong chứa 30 cm³ khí lý tưởng, với áp suất ban đầu là 15 psi (pound trên inche vuông). Khi kéo cần xi lanh, thay đổi thể tích khí sẽ dẫn đến các giá trị áp suất khác nhau.

Các điểm trên đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa áp suất và thể tích nằm trên một đường cong giống như một hyperbol, cho thấy rằng mối quan hệ giữa áp suất và thể tích trong quá trình điều nhiệt là một hàm số có dạng hyperbol.

Giải thích

Với khí lý tưởng, ta áp dụng định luật sau:
$pV=nRT$ Trong đó, n là số mol của khí hoặc tổng số phân tử khí; R là hằng số khí, với R=8.31 J/mol.K; T là nhiệt độ của khí tính bằng Kelvin; p là áp suất của khí; V là thể tích của khí.
Vì nhiệt độ T không thay đổi trong quá trình thí nghiệm, ta có thể viết lại công thức định luật khí lý tưởng như sau:
$p=\frac{nRT}{V}$ Với n, R, và T là hằng số, ta có:$p=\frac{\text{const}}{V}$
Hàm số p theo V có đồ thị dạng hyperbol, và đường này được gọi là đường đẳng nhiệt.

Trong quá trình đẳng nhiệt, với hai trạng thái khác nhau, ta có phương trình: <=> p1.V1 = p2.V2

Mối quan hệ giữa thể tích khí và công sinh ra

$dA=-<!--\; -\; -->pdV$

$\Rightarrow <!--\; \Rightarrow \; -->A=-<!--\; -\; -->{\int <!--\; \int \; -->}_{V1}^{V2}pdV=-<!--\; -\; -->{\int <!--\; \int \; -->}_{V1}^{V2}\frac{nRT}{V}dV$
$A=-<!--\; -\; -->nRT\ln <!--\; \; -->\frac{V2}{V1}$
Đây là mối liên hệ giữa thể tích khí và công thực hiện. Do nội năng của khí phụ thuộc vào nhiệt độ và nhiệt độ không thay đổi trong quá trình đẳng nhiệt, nên lượng nhiệt nhận vào sẽ bằng với công thực hiện.

$Q=-<!--\; -\; -->A$

Ứng dụng

Quá trình đẳng nhiệt xuất hiện trong nhiều hệ thống, đặc biệt là các động cơ nhiệt. Trên thực tế, khi nén khí, các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và thể tích đều có sự thay đổi. Khi nén khí, nhiệt độ tăng lên do công thực hiện chuyển thành nhiệt năng, gây biến đổi nội năng.