Izobaryczne ochładzanie: Analiza przemiany termodynamicznej zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki

Zadanie to dotyczy rozpoznawania różnych rodzajów przemian termodynamicznych. Mamy tutaj podane, że przemiana jest taka, gdzie $Q < 0$, $\delta W < 0$ oraz $W > 0$, i mamy określić, jaka to przemiana zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki.

Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że zmiana energii wewnętrznej $\Delta U$ układu jest równa sumie ciepła $Q$ dostarczonego do układu i pracy $W$ wykonanej nad układem: $$\Delta U = Q + W.$$

Jeżeli $Q < 0$, to oznacza, że ciepło jest oddawane przez układ do otoczenia (układ się ochładza). Jeśli $\delta W < 0$ i $W > 0$, to oznacza, że praca jest wykonana przez układ (a nie nad układem), co również prowadzi do obniżenia energii wewnętrznej układu.

Teraz musimy dopasować te informacje do jednego z czterech typów przemian termodynamicznych:

1. Izochoryczne ochładzanie - przemiana izochoryczna odbywa się przy stałej objętości. W takim przypadku praca $W$ wynosi zero, ponieważ nie ma zmiany objętości ($\delta V = 0$), więc nie pasuje to do podanych warunków ($W > 0$).

2. Izobaryczne ochładzanie - przemiana izobaryczna odbywa się przy stałym ciśnieniu. Praca może być różna od zera, ale tu szczególnie interesuje nas, że ciepło jest oddawane ($Q < 0$), co jest zgodne z “ochładzaniem”.

3. Izotermiczne sprężanie - przemiana izotermiczna odbywa się przy stałej temperaturze. W takim przypadku $\Delta U = 0$, a zatem cała praca wykonana nad układem musi zostać oddana w formie ciepła, co nie zgadza się z tym, że $Q < 0$.

4. Adiabatyczne sprężanie - przemiana adiabatyczna odbywa się bez wymiany ciepła z otoczeniem, czyli $Q = 0$. Tutaj jednak mamy $Q < 0$, więc to również nie jest poprawna odpowiedź.

Zgodnie z tymi rozważaniami, jedyną pasującą odpowiedzią jest izobaryczne ochładzanie, ponieważ jest to jedyna sytuacja, w której ciepło jest oddawane ($Q < 0$), a praca jest wykonana przez układ ($W > 0$), co prowadzi do obniżenia energii wewnętrznej.