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物理学では、物体やシステムを研究して、その動き、温度、およびその他の特性を測定します。物理的な概念は、単細胞生物から機械系や亜原子系、惑星、恒星、銀河、およびそれらを支配するすべてのプロセスに至るまで、あらゆるものに適用できます。物理学の中には、物理的または化学的反応中のエネルギー変化 (熱) とシステムの特性に焦点を当てた分野である熱力学があります。
等温プロセスは、システムの温度が一定に保たれる熱力学的プロセスです。システムへの、またはシステムからの熱伝達は非常にゆっくりと発生するため、熱平衡が維持されます。熱という言葉は、システムの熱を表す用語です。「等」は「等しい」を意味するため、「等温」は「等しい熱」を意味し、熱平衡を定義します。
等温プロセス
一般に、等温プロセス中には、内部エネルギー、熱エネルギー、および仕事に変化があります。温度は常に一定に保たれますが、システム内の何かがその温度を同じに保つように機能します。理想的な例は、ガスに熱を供給することによって熱機関がどのように機能するかを基本的に説明するカルノー サイクルです。その結果、ガスはシリンダー内で膨張し、ピストンを押して仕事をします。次に、次の熱/膨張サイクルのためのスペースを作るために、熱またはガスをシリンダーから排出する (または排出する) 必要があります。言及されているこの参照は、燃焼エンジンを搭載した車両のエンジン内部で何が起こるかの明確な例です。
説明したサイクルが完全に効率的である場合、圧力が変化しても温度は一定のままであるため、プロセスは等温です。
等温プロセスの基本概念を理解するには、システム内のガスの作用を考慮する必要があります。「理想気体」の内部エネルギーは温度のみに依存するため、理想気体の等温プロセス中の内部エネルギー変化は 0 に等しくなります。圧力が一定に保たれている限り、システムに追加されたすべての熱は、プロセスを等温に保つために機能します。理想気体を考えると、温度を維持するためにシステムで行われる仕事は、システム内の圧力が増加するにつれて気体の体積が減少しなければならないことを示唆しています。理想気体の法則によれば、圧力は温度と量に比例して変化し、体積に反比例します。
物質の等温過程と状態
等温プロセスは数多くあり、さまざまです。特定の沸点までの水の沸騰と同様に、空気中への水の蒸発もその 1 つです。
熱平衡を維持する多くの化学反応もあり、生物学では、細胞と周囲の細胞 (または他の物質) との相互作用が等温プロセスをもたらすと言われています。
蒸発、融解、沸騰も相変化です。つまり、一定の温度と圧力で起こる水やその他の流体や気体の変化です。
等温過程の追跡
物理学では、これらの反応とプロセスのグラフィカルな表現は、ダイアグラム (グラフ) によって行われます。状態図では、等温プロセスは、一定の温度を通る垂直線または 3D 図の平面に沿ってプロットされます。システムの温度を維持するために、圧力と体積を変更できます。
それらが変化すると、温度が一定のままであっても、物質の状態が変化する可能性があります。したがって、水の沸騰による蒸発は、温度が圧力と体積の変化のシステムと同じままであることを意味します。これは、図に沿って温度 (一定のまま) とともにプロットされます。
等温過程研究の応用
科学者がシステムの等温プロセスを研究するとき、彼らは実際に熱、エネルギー、およびそれらの間の接続、およびシステムの温度を変更または維持するために必要な機械的エネルギーを見ています. この理解は、生物学者が生物が体温を調節する方法を研究するのに役立ちます。また、工学、宇宙科学、惑星科学、地質学、およびその他の多くの科学分野にも適用されます。熱力学的パワー サイクル、したがって等温プロセスは、熱機関の背後にある基本的な考え方です。これらのデバイスは、発電所や、前述のように、自動車、トラック、飛行機、その他の車両に電力を供給するために使用されます。さらに、これらのシステムはロケットや宇宙船にも存在します。
参考文献
https://solar-energia.net/termodinamica/procesos-termodinamicos/proceso-isotermico
https://www.thermal-engineering.org/en/what-is-the-isothermal-process-definition/
大学物理学、Sears and Zemansk、Addison-Wesley 2019
