Berekeningen aan toestandsveranderingen
Wanneer ervan uitgegaan wordt dat een gas zich ideaal gedraagt, kan de
ideaal gaswet, pV = nRT, gebruikt worden voor berekeningen aan toestandsveranderingen waarbij de hoeveelheid gas hetzelfde blijft. Voor toestandsveranderingen in het algemeen, de zogenaamde polytropische toestandsveranderingen, geldt: pV
n = constant. NB: n is de exponent van de polytroop, dit is niet het aantal mol gas (n) uit de ideaal gaswet! Hieronder wordt een aantal veelvoorkomende toestandsveranderingen (processen) behandeld.
Isotherme processen
Op basis van de ideaal gaswet geldt voor een isotherm proces: $$ pV = constant $$
immers, zowel n, R als T zijn constant. Zoals beschreven bij
toestandsdiagrammen ziet het verloop van een isotherm proces er in een p,V-diagram uit als een omgekeerd evenredig verband tussen druk en volume.
Voor de volumearbeid uitgeoefend tijdens een isotherm proces geldt:
$$ \d W = p \d V $$
Vervangen van p door nRT/V (ideaal gaswet) en integreren levert vervolgens op:
$$ W_{\begin → \eind} = nRT \ln {V_\eind} / {V_\begin} $$
Aangezien pV constant is, geldt voor deze volumearbeid ook:
$$ W_{\begin → \eind} = nRT \ln {p_\begin} / {p_\eind} $$
De hoeveelheid warmte die gepaard gaat met dit proces kan berekend worden uit de
1e hoofdwet voor een gesloten systeem en de afhankelijkheid van de
inwendige energie van de temperatuur:
$$ \Δ U = Q - W $$
resp.
$$ \Δ U = C_V \Δ T = 0 $$
Er geldt dus:
$$ Q = W $$
Isochoor proces
Bij een isochoor proces is het volume constant. In een p,V-diagram ziet een isochoor proces er dus uit als een verticale lijn. Doordat het volume niet verandert, is de volumearbeid gelijk aan nul. Uit de 1e hoofdwet voor een gesloten systeem volgt dat dan geldt:
$$ \Δ U = Q = C_V \Δ T $$
Isobaar proces
Bij een isobaar proces is de druk constant. Een isobaar proces ziet er in een p,V-diagram dus uit als een horizontale lijn. Aangezien de druk niet afhankelijk is van het volume (zoals wel het geval is bij een isotherm proces), geldt hier voor de volumearbeid:
$$ W = p(V_\eind - V_\begin) $$
Voor de hoeveelheid warmte die uitgewisseld wordt geldt (TB142E, Analyse van energiesystemen):
$$ Q = C_p \Δ T = m c_p \Δ T $$
en voor de inwendige energie geldt wederom:
$$ \Δ U = C_V \Δ T $$
Adiabatisch proces
Bij een adiabatisch proces is de uitgewisselde warmte Q gelijk aan nul. Uit de 1e hoofdwet voor een gesloten systeem volgt dan:
$$ \Δ U = C_V \Δ T = - W $$
Verder geldt voor een adiabatisch proces:
$$ pV^{(c_p/c_v)} = \constant $$
Het verloop van een adiabatisch proces in een p,V-diagram lijkt enigszins op dat van een isotherm proces, maar de lijn gaat bij een adiabaat sterker naar beneden ("maakt een diepere buiging") dan het omgekeerd evenredige verband van de isotherm.
Samenvatting
Het voorgaande kan samengevat worden in onderstaande tabel, waarbij 'n' in de laatste rij dus gelijk is aan de exponent van de polytroop pV
n.
| isotherm | isochoor | isobaar | adiabaat |
ΔU | 0 | CVΔT | CVΔT | CVΔT |
Q | Q = W | CVΔT | CpΔT | 0 |
W | nRTln(Veind/Vbegin) of nRTln(pbegin/peind) | 0 | p(Veind - Vbegin) | - CVΔT |
const. | pV | V | p | pV(cp/cv) |
n | 1 | ∞ | 0 | cp/cv |
Achtergrondinformatie
•
Youtube-filmpje over polytropische toestandsveranderingenw (deel 1 van een serie)
Laatste wijziging: 08-11-2023
Deze publicatie valt onder een Creative Commons licentie. Zie hiervoor het
colofon.