Isobaariset prosessit: Määritelmä, kaava ja esimerkit

Useat idealisoidut termodynaamiset prosessit kuvaavat, kuinka ihanteellisen kaasun tilat voivat muuttua. Isobaarinen prosessi on vain yksi näistä.

Termodynamiikka on tutkimus muutoksista, joita järjestelmissä tapahtuu lämpöenergian (lämpöenergian) siirron vuoksi. Aina kun kaksi eri lämpötilaa olevaa järjestelmää on kosketuksessa toistensa kanssa, lämpöenergia siirtyy kuumemmasta järjestelmästä jäähdytinjärjestelmään.

Monet erilaiset muuttujat vaikuttavat lämmönsiirron tapahtumiin. Kyseisten materiaalien molekyyliominaisuudet vaikuttavat siihen, kuinka nopeasti ja helposti lämpöenergia pystyy siirtymään järjestelmästä toiseen esimerkki, ja ominaislämpökapasiteetti (lämpömäärä, joka tarvitaan yksikön massan nostamiseksi 1 celsiusasteella) vaikuttaa lopputulokseen lämpötiloissa.

Kaasujen kohdalla lämpöenergian siirtyessä esiintyy paljon mielenkiintoisempia ilmiöitä. Kaasut voivat laajentua ja supistua merkittävästi, ja miten ne tapahtuvat, riippuu suljetusta säiliöstä, järjestelmän paineesta ja lämpötilasta. Kaasujen toiminnan ymmärtäminen on siis tärkeää termodynamiikan ymmärtämisessä.

Kineettinen teoria tarjoaa tavan mallintaa kaasua siten, että voidaan käyttää tilastollista mekaniikkaa, mikä johtaa lopulta siihen, että järjestelmä voidaan määritellä tilamuuttujien joukon avulla.

Harkitse, mikä kaasu on: joukko molekyylejä, jotka kaikki voivat liikkua vapaasti toistensa ympäri. Kaasun ymmärtämiseksi on järkevää tarkastella sen perustekijöitä - molekyylejä. Mutta ei ole yllättävää, että tästä tulee hankala hyvin nopeasti. Kuvittele molekyylien lukumäärä esimerkiksi lasissa, joka on täynnä ilmaa. Ei ole tarpeeksi tehokasta tietokonetta, jotta voitaisiin seurata niin monien hiukkasten vuorovaikutusta toistensa kanssa.

Sen sijaan mallinnamalla kaasua kokoelmana hiukkasia, jotka kaikki käyvät läpi satunnaisen liikkeen, voit aloittaa ymmärtää kokonaiskuva hiukkasten neliön keskimääräisten nopeuksien perusteella esimerkki. On kätevää aloittaa puhuminen molekyylien keskimääräisestä kineettisestä energiasta sen sijaan, että tunnistettaisiin kuhunkin yksittäiseen hiukkaseen liittyvä energia.

Nämä määrät johtavat kykyyn määritellä tilamuuttujia, jotka ovat suuria määriä, jotka kuvaavat järjestelmän tilaa. Tärkeimmät tilamuuttujat, joita tässä käsitellään, ovat paine (voima pinta-alayksikköä kohti), tilavuus (määrä tilaa, jonka kaasu vie) ja lämpötila (joka mittaa keskimääräistä kineettistä energiaa per molekyyli). Tutkimalla kuinka nämä tilamuuttujat liittyvät toisiinsa, voit saada käsityksen termodynaamisista prosesseista makroskooppisessa mittakaavassa.

Ihanteellinen kaasu on kaasu, jossa tehdään seuraavat oletukset:

Molekyylejä voidaan käsitellä kuin pistehiukkasia, jotka eivät vie tilaa. (Jotta näin olisi, korkea paine ei ole sallittua, tai molekyylit tulevat tarpeeksi lähelle toisiaan, jotta niiden tilavuudesta tulee merkitystä.)

Molekyylien väliset voimat ja vuorovaikutukset ovat merkityksettömiä. (Lämpötila ei voi olla liian matala, jotta näin olisi. Kun lämpötila on liian matala, molekyylien välisillä voimilla alkaa olla suhteellisen suurempi rooli.)

Molekyylit ovat vuorovaikutuksessa keskenään ja astian seinämien kanssa täysin joustavissa törmäyksissä. (Tämä mahdollistaa oletuksen kineettisen energian säilymisestä.)

Kun nämä oletukset on tehty, jotkut suhteet tulevat ilmeisiksi. Näiden joukossa on ihanteellinen kaasulaki, joka ilmaistaan ​​yhtälömuodossa seuraavasti:

MissäPon paine,Von äänenvoimakkuus,Ton lämpötila,non moolien lukumäärä,Non molekyylien lukumäärä,Ron yleinen kaasuvakio,kon Boltzmannin vakio janR = Nk​.

Ihanteelliseen kaasulakiin liittyy läheisesti Charlesin laki, jonka mukaan vakiopaineelle tilavuus ja lämpötila ovat suoraan verrannollisia taiV / T= vakio.

Isobaarinen prosessi on termodynaaminen prosessi, joka tapahtuu vakiopaineessa. Tässä valtakunnassa Charlesin lakia sovelletaan, koska painetta pidetään vakiona.

Prosessityypit, joita voi tapahtua, kun paine pidetään vakiona, sisältävät isobaarisen laajenemisen, jossa tilavuus nousee, kun lämpötila laskee, ja isobaarinen supistuminen, jossa tilavuus laskee lämpötilan aikana kasvaa.

Jos olet koskaan keittänyt mikroaaltouunia, joka vaatii leikkaamaan muovista tuuletusaukon ennen sen asettamista mikroaaltouuniin, tämä johtuu isobaarisesta laajenemisesta. Mikroaaltouunin sisällä paine muovipäällysteisen aterian sisällä ja ulkopuolella on aina sama ja aina tasapainossa. Mutta kun ruoka kypsyy ja lämpenee, ilma-alusta laajenee lämpötilan nousun seurauksena. Jos tuuletusaukkoa ei ole käytettävissä, muovi saattaa laajentua siihen pisteeseen, jossa se repeää.

Nopeaan isobaariseen puristuskokeeseen kotona laitetaan paisunut ilmapallo pakastimeen. Jälleen paine ilmapallon sisällä ja ulkopuolella on aina tasapainossa. Mutta kun ilma ilmapallossa jäähtyy, se kutistuu seurauksena.

Jos mikä tahansa säiliö, jossa kaasu on, voi vapaasti laajentua ja supistua ja ulkoinen paine pysyy vakiona, niin mikä tahansa prosessi on isobaari, koska mikä tahansa paine-ero aiheuttaisi laajenemista tai supistumista, kunnes ero on ratkaistu.

Ensimmäisessä termodynamiikan laissa todetaan, että muutos sisäisessä energiassaUsysteemin lisäys on yhtä suuri kuin järjestelmään lisätyn lämpöenergian määrän eroQja järjestelmän tekemä nettotyöW. Yhtälömuodossa tämä on:

Muistakaamme, että lämpötila oli keskimääräinen kineettinen energia molekyyliä kohti. Sisäinen kokonaisenergia on sitten kaikkien molekyylien kineettisten energioiden summa (ihanteellisella kaasulla potentiaalienergioita pidetään merkityksettöminä). Siksi järjestelmän sisäinen energia on suoraan verrannollinen lämpötilaan. Koska ihanteellinen kaasulaki suhteuttaa paineen ja tilavuuden lämpötilaan, sisäinen energia on myös verrannollinen paineen ja tilavuuden tuloon.

Joten jos lämpöenergiaa lisätään järjestelmään, lämpötila nousee samoin kuin sisäinen energia. Jos järjestelmä toimii ympäristössä, tuo energiamäärä menetetään ympäristölle, ja lämpötila ja sisäinen energia laskevat.

PV-kaaviossa (graafi paine vs. tilavuus), isobaarinen prosessi näyttää vaakasuoralta viivakaaviosta. Koska termodynaamisen prosessin aikana tehdyn työn määrä on yhtä suuri kuin PV-käyrän alla oleva pinta-ala, isobaarisessa prosessissa tehty työ on yksinkertaisesti:

Lämpömoottorit muuttavat lämpöenergian mekaaniseksi energiaksi jonkinlaisen koko syklin kautta. Tämä edellyttää tyypillisesti järjestelmän laajenemista jossakin vaiheessa syklin aikana työn tekemiseksi ja energian jakamiseksi jollekin ulkoiselle.

Tarkastellaan esimerkkiä, jossa Erlenmeyer-pullo on liitetty muoviputken kautta lasiruiskuun. Tässä järjestelmässä on kiinteä ilmamäärä. Jos ruiskun mäntä on vapaa liukumaan ja toimii liikkuvana mäntänä, sijoittamalla pullo lämpökylpyyn (amme kuumaa vettä), ilma laajenee ja nostaa mäntää ja tekee työtä.

Tällaisen lämpökoneen syklin loppuun saattamiseksi pullo on asetettava kylmään kylpyyn, jotta ruisku voi palata alkutilaansa uudelleen. Voit lisätä ylimääräisen vaiheen, jossa mäntää käytetään massan nostamiseen tai muuhun mekaaniseen työhön sen liikkuessa.

Muita prosesseja, joista on keskusteltu tarkemmin muissa artikkeleissa, ovat

​Isoterminenprosessit, joissa lämpötila pidetään vakiona. Vakiolämpötilassa paine on kääntäen verrannollinen tilavuuteen, ja isoterminen puristus johtaa paineen nousuun, kun taas isoterminen paisuminen johtaa paineen laskuun.

Vuonnaisokoorinenprosessin aikana kaasun tilavuus pidetään vakiona (kaasua pitävä säiliö pidetään jäykänä eikä pysty laajentumaan tai supistumaan). Tässä paine on sitten suoraan verrannollinen lämpötilaan. Järjestelmässä tai järjestelmässä ei voida tehdä työtä, koska äänenvoimakkuus ei muutu.

Vuonnaadiabaattinenprosessissa lämpöä ei vaihdeta ympäristön kanssa. Termodynamiikan ensimmäisen lain kannalta tämä tarkoittaaQ= 0, joten mikä tahansa muutos sisäisessä energiassa vastaa suoraan järjestelmässä tehtävää työtä.