Няколко идеализирани термодинамични процеси описват как състоянията на идеалния газ могат да се променят. Изобарният процес е само един от тях.
Какво е изучаването на термодинамиката?
Термодинамиката е изследване на промените, които се случват в системите поради трансфера на топлинна енергия (топлинна енергия). Всеки път, когато две системи с различна температура са в контакт помежду си, топлинната енергия ще се прехвърли от по-горещата към охладителната система.
Много различни променливи влияят върху това как се осъществява този топлообмен. Молекулните свойства на участващите материали влияят върху това колко бързо и лесно топлинната енергия е в състояние да се премести от една система в друга например, а специфичният топлинен капацитет (количеството топлина, необходимо за повишаване на единица маса с 1 градус по Целзий) влияе на получения краен резултат температури.
Що се отнася до газовете, много по-интересни явления се случват при пренос на топлинна енергия. Газовете могат да се разширяват и свиват значително, а как ще го направят зависи от контейнера, в който са затворени, налягането на системата и температурата. Следователно разбирането как работят газовете е важно за разбирането на термодинамиката.
Кинетична теория и променливи на състоянието
Кинетичната теория предоставя начин за моделиране на газ, така че да може да се приложи статистическа механика, което в крайна сметка води до възможността да се дефинира система чрез набор от променливи на състоянието.
Помислете какво е газ: куп молекули, които могат да се движат свободно една около друга. За да разберем даден газ, има смисъл да разгледаме най-основните му компоненти - молекулите. Но не е изненадващо, че това става много тромаво много бързо. Представете си огромния брой молекули само в чаша, пълна с въздух например. Няма достатъчно мощен компютър, който да проследява взаимодействията на толкова много частици помежду си.
Вместо това, като моделирате газа като колекция от частици, подложени на произволно движение, можете да започнете за да се разбере цялостната картина от гледна точка на средните квадратни скорости на частиците, за пример. Става удобно да започнете да говорите за средната кинетична енергия на молекулите, вместо да идентифицирате енергията, свързана с всяка отделна частица.
Тези величини водят до възможността да се определят променливи на състоянието, които са величини, които описват състоянието на системата. Основните променливи на състоянието, обсъдени тук, ще бъдат налягане (силата на единица площ), обем (количеството от пространството, което газът заема) и температурата (което е мярка за средната кинетична енергия на молекула). Изучавайки как тези променливи на състоянието са свързани помежду си, можете да придобиете разбиране за термодинамичните процеси в макроскопичен мащаб.
Законът на Чарлз и законът за идеалния газ
Идеалният газ е газ, при който се правят следните предположения:
Молекулите могат да бъдат третирани като точкови частици, като не заемат място. (За да е така, не се допуска високо налягане или молекулите ще се сближат достатъчно близо, че обемите им станат релевантни.)
Междумолекулните сили и взаимодействия са незначителни. (Температурата не може да бъде твърде ниска, за да е така. Когато температурата е твърде ниска, междумолекулните сили започват да играят относително по-голяма роля.)
Молекулите взаимодействат помежду си и стените на контейнера при идеално еластични сблъсъци. (Това дава възможност за предположение за запазване на кинетичната енергия.)
След като се направят тези предположения, някои взаимоотношения стават очевидни. Сред тях са законът за идеалния газ, който се изразява под формата на уравнение като:
PV = nRT = NkT
КъдетоPе натиск,Vе обем,Tе температура,не броят на бенките,не броят на молекулите,Rе универсалната газова константа,ке константата на Болцман иnR = Nk.
Законът за идеалния газ е тясно свързан със закона на Чарлз, който гласи, че при постоянно налягане обемът и температурата са право пропорционални илиV / T= постоянна.
Какво е изобарен процес?
Изобарен процес е термодинамичен процес, който протича при постоянно налягане. В тази област се прилага законът на Чарлз, тъй като натискът се поддържа постоянен.
Видовете процеси, които могат да се случат, когато налягането се поддържа постоянно, включват изобарно разширение, в което обемът се увеличава, докато температурата намалява, и изобарно свиване, при което обемът намалява, докато температурата се увеличава.
Ако някога сте готвили микровълнова храна, която изисква да отворите отвор в пластмасата, преди да я поставите в микровълновата, това се дължи на изобарно разширение. Вътре в микровълновата печка налягането във и извън покритата с пластмаса тава за храна винаги е еднакво и винаги в равновесие. Но докато храната се готви и загрява, въздухът в тавата се разширява в резултат на повишаването на температурата. Ако няма отдушник, пластмасата може да се разшири до точката, където се спука.
За бърз експеримент с изобарно компресиране у дома, поставете надут балон във вашия фризер. Отново, налягането във и извън балона винаги ще бъде в равновесие. Но докато въздухът в балона се охлажда, в резултат на това той ще се свие.
Ако в какъвто и да е контейнер, в който е газът, може свободно да се разширява и свива и външното налягане остава постоянно, тогава всяко процесът ще бъде изобарен, тъй като всяка разлика в наляганията би довела до разширяване или свиване, докато тази разлика не стане разрешен.
Изобарни процеси и първият закон на термодинамиката
Първият закон на термодинамиката гласи, че промяната във вътрешната енергияUна системата е равна на разликата между количеството топлинна енергия, добавено към систематаВъпрос:и нетна работа, извършена от систематаW. Във форма на уравнение това е:
\ Delta U = Q - W
Спомнете си, че температурата беше средната кинетична енергия на молекула. Тогава общата вътрешна енергия е сумата от кинетичните енергии на всички молекули (при идеален газ потенциалните енергии се считат за незначителни). Следователно вътрешната енергия на системата е право пропорционална на температурата. Тъй като законът за идеалния газ свързва налягането и обема с температурата, вътрешната енергия също е пропорционална на произведението на налягането и обема.
Така че ако към системата се добави топлинна енергия, температурата се увеличава, както и вътрешната енергия. Ако системата работи върху околната среда, тогава това количество енергия се губи за околната среда и температурата и вътрешната енергия намаляват.
На PV диаграма (графика на налягането vs. обем), един изобарен процес изглежда като хоризонтална линейна графика. Тъй като количеството на работата, извършена по време на термодинамичен процес, е равно на площта под PV кривата, работата, извършена в един изобарен процес, е просто:
W = P \ Delta V
Изобарни процеси в топлинни двигатели
Топлинните двигатели преобразуват топлинната енергия в механична чрез пълен цикъл от някакъв вид. Това обикновено изисква система да се разшири в даден момент от цикъла, за да върши работа и да придава енергия на нещо външно.
Да разгледаме пример, в който колба на Ерленмайер е свързана чрез пластмасова тръба към стъклена спринцовка. В рамките на тази система има ограничено количество въздух. Ако буталото на спринцовката е свободно да се плъзга, действайки като подвижно бутало, тогава чрез поставяне на колбата в топлинна баня (вана с гореща вода) въздухът ще се разшири и ще повдигне буталото, като върши работа.
За да завърши цикъла на такава топлинна машина, колбата ще трябва да бъде поставена в студена баня, така че спринцовката да може да се върне отново в първоначалното си състояние. Можете да добавите допълнителна стъпка, като буталото се използва за повдигане на маса или извършване на някаква друга форма на механична работа, докато се движи.
Други термодинамични процеси
Други процеси, обсъдени по-подробно в други статии, включват:
Изотермиченпроцеси, при които температурата се поддържа постоянна. При постоянна температура налягането е обратно пропорционално на обема и изотермичното компресиране води до повишаване на налягането, докато изотермичното разширение води до намаляване на налягането.
В единизохоренпроцес, обемът на газа се поддържа постоянен (контейнерът, който държи газа, се държи твърд и не може да се разшири или свие). Тук налягането тогава е право пропорционално на температурата. Не може да се работи върху или от системата, тъй като обемът не се променя.
В единадиабатенпроцес, не се обменя топлина с околната среда. По отношение на първия закон на термодинамиката това означаваВъпрос:= 0, следователно всяка промяна във вътрешната енергия пряко съответства на работата, извършвана върху или от системата.