Isobaarsed protsessid: määratlus, valem ja näited

Mitmed idealiseeritud termodünaamilised protsessid kirjeldavad, kuidas ideaalse gaasi olekud võivad muutuda. Isobaarne protsess on vaid üks neist.

Termodünaamika on süsteemides soojusenergia (soojusenergia) ülekandest tingitud muutuste uurimine. Iga kord, kui kaks erineva temperatuuriga süsteemi on üksteisega kontaktis, kandub soojusenergia kuumemast süsteemist jahedamasse süsteemi.

Selle soojusülekande toimumist mõjutavad paljud erinevad muutujad. Asjaomaste materjalide molekulaarsed omadused mõjutavad seda, kui kiiresti ja hõlpsalt soojusenergia on võimeline ühest süsteemist teise liikuma näiteks, ja erisoojusvõimsus (massiühiku tõstmiseks 1 Celsiuse kraadi võrra vajalik soojushulk) mõjutab temperatuurid.

Gaaside osas tekib soojusenergia ülekandmisel veel palju huvitavaid nähtusi. Gaasid suudavad märkimisväärselt paisuda ja kahaneda ning see, kuidas nad seda teevad, sõltub mahutist, millesse nad on suletud, süsteemi rõhust ja temperatuurist. Seetõttu on termodünaamika mõistmisel oluline mõista gaaside toimimist.

Kineetiline teooria pakub viisi gaasi modelleerimiseks, et saaks rakendada statistilist mehaanikat, mille tulemuseks on lõpuks võimalik süsteemi määratleda olekumuutujate hulga kaudu.

Mõelge, mis on gaas: kamp molekule, mis kõik on võimelised üksteise ümber vabalt liikuma. Gaasi mõistmiseks on mõttekas vaadata selle kõige põhilisemaid komponente - molekule. Kuid pole üllatav, et see muutub väga kiiresti tülikaks. Kujutage ette, kui palju molekule on näiteks klaasitäies õhku. Pole piisavalt võimsat arvutit, et jälgida nii paljude osakeste vastastikust mõju.

Selle asemel, modelleerides gaasi osakeste kogumina, mis kõik läbivad juhuslikku liikumist, võite alustada mõista üldpilti osakeste keskmise ruutkiiruse järgi, for näide. Mugavaks saab hakata rääkima molekulide keskmisest kineetilisest energiast, selle asemel et tuvastada iga osakesega seotud energiat.

Need kogused toovad kaasa võime määratleda olekumuutujaid, mis on suurused, mis kirjeldavad süsteemi olekut. Peamised olekumuutujad, mida siin käsitletakse, on rõhk (jõud pinnaühiku kohta), maht (kogus ruumi gaas võtab) ja temperatuur (mis on keskmise kineetilise energia mõõtühik ühe ruutmeetri kohta) molekul). Uurides, kuidas need olekumuutujad omavahel suhestuvad, saate mõista termodünaamilisi protsesse makroskoopilises skaalas.

Ideaalne gaas on gaas, milles tehakse järgmised eeldused:

Molekule saab töödelda nagu punktosakesi, mis ei võta ruumi. (Selleks on kõrge rõhk keelatud või molekulid muutuvad piisavalt lähestikku, et nende maht muutuks asjakohaseks.)

Molekulidevahelised jõud ja vastastikmõjud on tühised. (Temperatuur ei saa olla nii madal, et see nii oleks. Kui temperatuur on liiga madal, hakkavad molekulidevahelised jõud mängima suhteliselt suuremat rolli.)

Molekulid suhtlevad omavahel ja anuma seintega täiesti elastsete kokkupõrgetena. (See võimaldab eeldada kineetilise energia säilimist.)

Kui need eeldused on tehtud, ilmnevad mõned seosed. Nende hulgas on ideaalne gaasiseadus, mida väljendatakse võrrandi kujul järgmiselt:

KusPon surve,Von maht,Ton temperatuur,non moolide arv,Non molekulide arv,Ron universaalne gaasikonstant,kon Boltzmanni konstant janR = Nk​.

Ideaalse gaasiseadusega on tihedalt seotud Charlesi seadus, mis ütleb, et pideva rõhu korral on maht ja temperatuur otseselt proportsionaalsed võiV / T= konstantne.

Isobaarne protsess on termodünaamiline protsess, mis toimub püsiva rõhu all. Selles valdkonnas kehtib Charlesi seadus, kuna survet hoitakse pidevalt.

Protsesside tüübid, mis võivad juhtuda rõhu püsimisel, hõlmavad isobaarilist laienemist, mille maht tõuseb, samal ajal kui temperatuur langeb, ja isobaarne kontraktsioon, mille maht väheneb temperatuuri ajal suureneb.

Kui olete kunagi küpsetanud mikrolaineahju, mis nõuab enne mikrolaineahju panemist plastikust õhuava lõikamist, on see tingitud isobaarilisest paisumisest. Mikrolaineahjus on rõhk plastikkattega söögiplaadi sees ja väljas alati sama ja alati tasakaalus. Kuid kui toit valmib ja soojeneb, laieneb temperatuuri tõusu tagajärjel salve sees olev õhk. Kui õhutusava pole saadaval, võib plast laieneda kuni selle purunemiseni.

Kiireks kodus olevaks isobaarilise kokkusurumise katseks pange täispuhutud õhupall sügavkülma. Jällegi on õhupalli sees ja väljaspool olev rõhk alati tasakaalus. Kuid kui õhupall õhk jahtub, väheneb see selle tagajärjel.

Kui ükskõik millises mahutis gaas on, võib see vabalt laieneda ja kokku tõmbuda ning väline rõhk püsib konstantsena, siis kõik protsess on isobaarne, kuna igasugune rõhkude erinevus põhjustaks paisumist või kokkutõmbumist, kuni see erinevus on lahendatud.

Termodünaamika esimene seadus ütleb, et siseenergia muutusUsüsteemi võrdub süsteemile lisatud soojusenergia koguse vahegaQja süsteemi tehtud võrgutööW. Võrrandivormis on see:

Tuletame meelde, et temperatuur oli keskmine kineetiline energia molekuli kohta. Kogu siseenergia on siis kõigi molekulide kineetiliste energiate summa (ideaalse gaasi korral peetakse potentsiaalseid energiaid tühiseks). Seega on süsteemi siseenergia otseselt proportsionaalne temperatuuriga. Kuna ideaalne gaasiseadus seob rõhu ja mahu temperatuuriga, on ka siseenergia proportsionaalne rõhu ja mahu korrutisega.

Nii et kui süsteemile lisatakse soojusenergiat, tõuseb temperatuur nagu ka siseenergia. Kui süsteem töötab keskkonnaga, läheb see energiahulk keskkonnale kaduma ning temperatuur ja siseenergia langevad.

PV-diagrammil (rõhu graafik vs. maht), näeb isobaarne protsess välja nagu horisontaaljoonegraafik. Kuna termodünaamilise protsessi käigus tehtud töö suurus on võrdne PV kõvera alusega, on isobaarises protsessis tehtud töö lihtsalt:

Soojusmootorid muudavad soojusenergia mehaaniliseks energiaks mingi tsükli kaudu. See nõuab tavaliselt süsteemi laienemist tsükli mingil hetkel, et teha tööd ja anda energiat millelegi välisele.

Mõelgem näitele, kus Erlenmeyeri kolb on plasttorude kaudu ühendatud klaasist süstlaga. Selles süsteemis on piiratud õhuhulk. Kui süstla kolb võib vabalt libiseda, toimides liikuva kolvina, siis kolbi kuumavanni (kuuma vee vanni) asetades paisub õhk ja tõstab kolbi, tehes tööd.

Sellise soojusmootori tsükli lõpuleviimiseks tuleks kolb asetada külma vanni, et süstal saaks uuesti algasendisse naasta. Võite lisada täiendava sammu, kui kolbi kasutatakse massi tõstmiseks või muud liiki mehaanilist tööd tehes.

Teistes artiklites üksikasjalikumalt käsitletud protsesside hulka kuuluvad:

​Isotermilineprotsessid, milles temperatuuri hoitakse konstantsena. Pideval temperatuuril on rõhk pöördvõrdeline mahuga ja isotermiline kokkusurumine põhjustab rõhu tõusu, samas kui isotermiline paisumine põhjustab rõhu langust.

AastalisohoorneProtsessi käigus hoitakse gaasi mahtu konstantsena (gaasi hoidvat mahutit hoitakse jäigana ega suudeta paisuda ega kokku tõmbuda). Siin on rõhk otseselt proportsionaalne temperatuuriga. Süsteemiga või süsteemiga ei saa tööd teha, kuna helitugevus ei muutu.

Aastaladiabaatilineprotsessi käigus ei vahetata soojust keskkonnaga. Termodünaamika esimese seaduse mõttes tähendab seeQ= 0, seega vastab igasugune siseenergia muutus otseselt süsteemiga tehtavale tööle.