Isobariske processer: definition, formel og eksempler

Flere idealiserede termodynamiske processer beskriver, hvordan tilstande for en ideel gas kan gennemgå ændringer. Den isobariske proces er blot en af ​​disse.

Termodynamik er undersøgelsen af ​​ændringer, der opstår i systemer på grund af overførsel af termisk energi (varmeenergi). Hver gang to systemer med forskellig temperatur er i kontakt med hinanden, overføres varmeenergi fra det varmere system til det køligere system.

Mange forskellige variabler påvirker, hvordan denne varmeoverførsel finder sted. De involverede materialers molekylære egenskaber påvirker, hvor hurtigt og let varmeenergi er i stand til at bevæge sig fra et system til et andet, f.eks eksempel, og den specifikke varmekapacitet (den mængde varme, der kræves for at hæve en enhedsmasse med 1 grad Celsius), påvirker den resulterende endelige temperaturer.

Når det kommer til gasser, opstår mange flere interessante fænomener, når varmeenergi overføres. Gasser er i stand til at udvide sig og trække sig sammen betydeligt, og hvordan de gør det afhænger af beholderen, de er indesluttet i, systemets tryk og temperaturen. At forstå, hvordan gasser fungerer, er derfor vigtigt for at forstå termodynamik.

Kinetisk teori giver en måde at modellere en gas på, så statistisk mekanik kan anvendes, hvilket til sidst resulterer i at være i stand til at definere et system via et sæt tilstandsvariabler.

Overvej hvad en gas er: en masse molekyler, der alle kan bevæge sig frit omkring hinanden. For at forstå en gas er det fornuftigt at se på dens mest basale komponenter - molekylerne. Men ikke overraskende bliver dette besværligt meget hurtigt. Forestil dig for eksempel det store antal molekyler i et glas fuld af luft. Der er ikke en computer, der er kraftig nok til at holde styr på interaktionen mellem så mange partikler med hinanden.

I stedet for ved at modellere gassen som en samling af partikler, der alle gennemgår tilfældig bevægelse, kan du begynde at forstå det samlede billede med hensyn til rodmidlet kvadratiske hastigheder for partiklerne, for eksempel. Det bliver praktisk at begynde at tale om molekylernes gennemsnitlige kinetiske energi i stedet for at identificere den energi, der er forbundet med hver enkelt partikel.

Disse størrelser fører til evnen til at definere tilstandsvariabler, som er størrelser, der beskriver et systems tilstand. De vigtigste tilstandsvariabler, der diskuteres her, vil være tryk (kraften pr. Arealeenhed), volumen (mængden rum optager gassen) og temperatur (som er et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi pr molekyle). Ved at studere, hvordan disse tilstandsvariabler forholder sig til hinanden, kan du få en forståelse af termodynamiske processer i makroskopisk skala.

En ideel gas er en gas, hvor der antages følgende antagelser:

Molekylerne kan behandles som punktpartikler og fylder ikke plads. (For at dette skal være tilfældet, er højt tryk ikke tilladt, ellers vil molekylerne blive tæt nok sammen til, at deres volumener bliver relevante.)

Intermolekylære kræfter og interaktioner er ubetydelige. (Temperaturen kan ikke være for lav til, at dette kan være tilfældet. Når temperaturen er for lav, begynder de intermolekylære kræfter at spille en relativt større rolle.)

Molekylerne interagerer med hinanden og beholderens vægge i perfekt elastiske kollisioner. (Dette giver mulighed for antagelse om bevarelse af kinetisk energi.)

Når disse antagelser er gjort, bliver nogle forhold synlige. Blandt disse er den ideelle gaslov, der udtrykkes i ligningsform som:

HvorPer pres,Ver volumen,Ter temperatur,ner antallet af mol,Ner antallet af molekyler,Rer den universelle gaskonstant,ker Boltzmann konstant ognR = Nk​.

Nært beslægtet med den ideelle gaslov er Charles 'lov, der siger, at for konstant tryk er volumen og temperatur direkte proportional, ellerV / T= konstant.

En isobar proces er en termodynamisk proces, der finder sted ved konstant tryk. På dette område gælder Charles 'lov, da pres holdes konstant.

De typer processer, der kan ske, når trykket holdes konstant, inkluderer isobar ekspansion, i hvilket volumen stiger, mens temperaturen falder, og isobarisk sammentrækning, hvor volumenet falder, mens temperaturen øges.

Hvis du nogensinde har kogt et mikrobølgemåltid, der kræver, at du skærer en udluftning i plastikken, inden du lægger den i mikrobølgeovnen, er det på grund af isobar ekspansion. Inde i mikrobølgeovnen er trykket i og uden for den plastdækkede måltidsbakke altid det samme og altid i ligevægt. Men når maden koger og opvarmes, ekspanderer luften inde i bakken som et resultat af temperaturstigningen. Hvis der ikke er nogen ventilationsåbning, kan plasten ekspandere til det punkt, hvor den sprænger.

For et hurtigt isobarisk komprimeringseksperiment derhjemme skal du sætte en oppustet ballon i din fryser. Igen vil trykket inden i og uden for ballonen altid være i ligevægt. Men når luften i ballonen afkøles, krymper den som et resultat.

Hvis uanset hvilken beholder gassen befinder sig i, er fri til at ekspandere og trække sig sammen, og det udvendige tryk forbliver konstant, så er enhver processen vil være isobar, fordi enhver forskel i tryk vil forårsage ekspansion eller sammentrækning, indtil forskellen er løst.

Den første lov om termodynamik siger, at ændringen i intern energiUaf et system er lig med forskellen mellem mængden af ​​varmeenergi, der tilføjes systemetSpørgsmålog nettoarbejde udført af systemetW. I ligningsform er dette:

Husk at temperaturen var den gennemsnitlige kinetiske energi pr. Molekyle. Den samlede interne energi er derefter summen af ​​de kinetiske energier af alle molekylerne (med en ideel gas betragtes potentielle energier som ubetydelige). Derfor er systemets indre energi direkte proportional med temperaturen. Fordi den ideelle gaslov vedrører tryk og volumen til temperatur, er den indre energi også proportional med produktet af tryk og volumen.

Så hvis der tilføjes varmeenergi til systemet, stiger temperaturen ligesom den indre energi. Hvis systemet fungerer på miljøet, går den mængde energi tabt til miljøet, og temperaturen og den interne energi falder.

På et PV-diagram (graf over tryk vs. volumen), en isobarisk proces ligner en vandret linjegraf. Da mængden af ​​arbejde udført under en termodynamisk proces er lig med arealet under PV-kurven, er arbejdet i en isobar proces simpelthen:

Varmemotorer omdanner varmeenergi til mekanisk energi via en komplet cyklus af en slags. Dette kræver typisk, at et system udvides på et eller andet tidspunkt i løbet af cyklussen for at udføre arbejde og give energi til noget eksternt.

Overvej et eksempel, hvor en Erlenmeyer-kolbe er forbundet via en plastrør til en glassprøjte. Indesluttet i dette system er en fast mængde luft. Hvis sprøjtens stempel er fri til at glide, der fungerer som et bevægeligt stempel, vil luften ved at placere kolben i et varmebad (et kar med varmt vand) ekspandere og løfte stemplet og udføre arbejde.

For at afslutte en sådan varmemotors cyklus skal kolben placeres i et koldt bad, så sprøjten kan vende tilbage til sin starttilstand igen. Du kan tilføje et yderligere trin, hvor stemplet bruges til at løfte en masse eller udføre en anden form for mekanisk arbejde, når den bevæger sig.

Andre processer diskuteret mere detaljeret i andre artikler inkluderer:

​Isotermprocesser, hvor temperaturen holdes konstant. Ved konstant temperatur er trykket omvendt proportionalt med volumen, og isoterm kompression resulterer i en stigning i tryk, mens isotermisk ekspansion resulterer i et fald i tryk.

I enisokoriskproces holdes gassens volumen konstant (beholderen, der holder gassen, holdes stiv og ude af stand til at ekspandere eller trække sig sammen). Her er trykket derefter direkte proportionalt med temperaturen. Intet arbejde kan udføres på eller af systemet, da lydstyrken ikke ændres.

I enadiabatiskproces udveksles ingen varme med miljøet. Med hensyn til termodynamikens første lov betyder detteSpørgsmål= 0, derfor svarer enhver ændring i intern energi direkte til arbejde, der udføres på eller af systemet.