Izobarické procesy: definice, vzorec a příklady

Několik idealizovaných termodynamických procesů popisuje, jak mohou stavy ideálního plynu procházet změnami. Izobarický proces je jen jedním z nich.

Termodynamika je studium změn, ke kterým dochází v systémech v důsledku přenosu tepelné energie (tepelné energie). Kdykoli jsou dva systémy různé teploty ve vzájemném kontaktu, tepelná energie se přenese z teplejšího systému do chladnějšího systému.

Jak k tomuto přenosu tepla dochází, ovlivňuje mnoho různých proměnných. Molekulární vlastnosti použitých materiálů ovlivňují, jak rychle a snadno je tepelná energie schopna se pohybovat z jednoho systému do druhého příklad a měrná tepelná kapacita (množství tepla potřebné ke zvýšení jednotkové hmotnosti o 1 stupeň Celsia) ovlivňuje výsledný konečný teploty.

Pokud jde o plyny, dochází při přenosu tepelné energie k mnoha zajímavějším jevům. Plyny se mohou významně rozpínat a smršťovat, a to, jak to dělají, závisí na nádobě, ve které jsou uzavřeny, tlaku systému a teplotě. Pochopení toho, jak fungují plyny, je proto důležité pro pochopení termodynamiky.

Kinetická teorie poskytuje způsob modelování plynu, takže lze použít statistickou mechaniku, což nakonec vede k možnosti definovat systém pomocí sady stavových proměnných.

Zvažte, co je to plyn: spousta molekul, které jsou schopné se volně pohybovat kolem sebe. Abychom porozuměli plynu, má smysl podívat se na jeho nejzákladnější komponenty - molekuly. Není ale překvapením, že se to velmi rychle stává těžkopádným. Představte si například naprostý počet molekul jen ve sklenici plné vzduchu. Neexistuje počítač dostatečně výkonný na to, aby mohl sledovat vzájemné působení těchto mnoha částic.

Místo toho můžete začít tím, že modelujete plyn jako soubor částic, které všechny procházejí náhodným pohybem pochopit celkový obraz, pokud jde o střední kvadratické rychlosti částic, pro příklad. Stává se vhodným začít mluvit o průměrné kinetické energii molekul namísto identifikace energie spojené s každou jednotlivou částicí.

Tyto veličiny vedou ke schopnosti definovat stavové proměnné, což jsou veličiny, které popisují stav systému. Hlavními stavovými proměnnými zde diskutovanými budou tlak (síla na jednotku plochy), objem (množství prostoru, který plyn zabírá) a teploty (což je míra průměrné kinetické energie na molekula). Studiem vzájemného vztahu těchto stavových proměnných získáte porozumění termodynamickým procesům v makroskopickém měřítku.

Ideálním plynem je plyn, ve kterém jsou učiněny následující předpoklady:

S molekulami lze zacházet jako s bodovými částicemi, přičemž nezabírají žádný prostor. (V takovém případě není povolen vysoký tlak, nebo se molekuly vzájemně dost blízko, aby se jejich objemy staly relevantní.)

Mezimolekulární síly a interakce jsou zanedbatelné. (Teplota nemůže být příliš nízká, aby tomu tak bylo. Když je teplota příliš nízká, mezimolekulární síly začnou hrát relativně větší roli.)

Molekuly interagují navzájem a stěnami nádoby v dokonale elastických srážkách. (To umožňuje předpoklad zachování kinetické energie.)

Jakmile jsou tyto předpoklady vytvořeny, některé vztahy se projeví. Mezi ně patří zákon ideálního plynu, který je vyjádřen ve formě rovnice jako:

KdePje tlak,PROTIje objem,Tje teplota,nje počet krtků,Nje počet molekul,Rje univerzální plynová konstanta,kje Boltzmannova konstanta anR = Nk​.

S zákonem o ideálním plynu úzce souvisí Charlesův zákon, který stanoví, že pro konstantní tlak jsou objem a teplota přímo úměrné, neboV / T= konstantní.

Izobarický proces je termodynamický proces, ke kterému dochází při konstantním tlaku. V této oblasti platí Charlesův zákon, protože tlak je konstantní.

Mezi typy procesů, ke kterým může dojít, když je tlak udržován na konstantní hodnotě, je isobarická expanze, ve které objem se zvyšuje, zatímco teplota klesá, a izobarická kontrakce, při které se objem snižuje při teplotě zvyšuje.

Pokud jste někdy vařili mikrovlnné jídlo, které vyžaduje, abyste před vložením do mikrovlnné trouby vyřízli průduch, je to kvůli izobarické expanzi. Uvnitř mikrovlnné trouby je tlak uvnitř i vně plastové misky na jídlo vždy stejný a vždy v rovnováze. Ale jak se jídlo vaří a ohřívá, vzduch uvnitř plechu se rozšiřuje v důsledku zvýšení teploty. Pokud není k dispozici žádný průduch, plast se může roztáhnout až do bodu, kdy praskne.

Pro rychlý experiment izobarické komprese doma vložte nafouknutý balón do mrazničky. Tlak uvnitř a vně balónu bude opět vždy v rovnováze. Ale jak se vzduch v balónu ochladí, ve výsledku se zmenší.

Pokud se v jakémkoli zásobníku plyn může volně rozpínat a smršťovat a vnější tlak zůstává konstantní, pak jakýkoli proces bude izobarický, protože jakýkoli rozdíl v tlacích by způsobil expanzi nebo kontrakci, dokud tento rozdíl nebude vyřešen.

První zákon termodynamiky říká, že změna vnitřní energieUsystému se rovná rozdílu mezi množstvím tepelné energie přidané do systémuQa čistá práce systémuŽ. Ve formě rovnice je to:

Připomeňme, že teplota byla průměrná kinetická energie na molekulu. Celková vnitřní energie je pak součtem kinetických energií všech molekul (u ideálního plynu jsou potenciální energie považovány za zanedbatelné). Proto je vnitřní energie systému přímo úměrná teplotě. Protože zákon ideálního plynu souvisí s tlakem a objemem s teplotou, je vnitřní energie také úměrná součinu tlaku a objemu.

Pokud se tedy do systému přidá tepelná energie, teplota se zvyšuje stejně jako vnitřní energie. Pokud systém pracuje na životním prostředí, pak se toto množství energie pro životní prostředí ztrácí a teplota a vnitřní energie se snižují.

Na FV diagramu (graf tlaku vs. objem), izobarický proces vypadá jako vodorovný spojnicový graf. Protože množství práce provedené během termodynamického procesu se rovná ploše pod PV křivkou, práce vykonaná v izobarickém procesu je jednoduše:

Tepelné motory přeměňují tepelnou energii na energii mechanickou prostřednictvím celého nějakého cyklu. To obvykle vyžaduje, aby se systém v určitém okamžiku cyklu rozšířil, aby mohl pracovat a dodávat energii něčemu vnějšímu.

Uvažujme příklad, ve kterém je Erlenmeyerova baňka spojena plastovou hadičkou se skleněnou injekční stříkačkou. V tomto systému je omezeno pevné množství vzduchu. Pokud se píst injekční stříkačky může volně pohybovat a působí jako pohyblivý píst, pak umístěním baňky do tepelné lázně (vana s horkou vodou) se vzduch roztáhne a zvedne píst při práci.

K dokončení cyklu takového tepelného motoru by bylo nutné baňku umístit do studené lázně, aby se injekční stříkačka mohla znovu vrátit do výchozího stavu. Můžete přidat další krok, kdy lze pomocí pístu zvednout hmotu nebo provádět jinou formu mechanické práce, když se pohybuje.

Mezi další procesy, které jsou podrobněji popsány v jiných článcích, patří:

​Izotermickýprocesy, při nichž se teplota udržuje konstantní. Při konstantní teplotě je tlak nepřímo úměrný objemu a izotermická komprese vede ke zvýšení tlaku, zatímco izotermická expanze vede ke snížení tlaku.

Vizochorickýproces, objem plynu je udržován konstantní (nádoba, která drží plyn, je udržována tuhá a není schopna se rozpínat nebo smršťovat). Zde je tlak přímo úměrný teplotě. Na systému ani na něm nelze provádět žádnou práci, protože objem se nemění.

Vadiabatickýprocesu nedochází k výměně tepla s okolním prostředím. Z hlediska prvního zákona termodynamiky to znamenáQ= 0, tedy jakákoli změna vnitřní energie přímo odpovídá práci prováděné v systému nebo systémem.