Izobarični procesi: definicija, formula i primjeri

Nekoliko idealiziranih termodinamičkih procesa opisuje kako se stanja idealnog plina mogu mijenjati. Izobarski postupak je samo jedan od njih.

Termodinamika je proučavanje promjena koje se javljaju u sustavima uslijed prijenosa toplinske energije (toplinske energije). Svaki put kad su dva sustava različite temperature u međusobnom kontaktu, toplinska energija prenijet će se iz toplijeg u hladniji sustav.

Mnogo različitih varijabli utječe na to kako se događa taj prijenos topline. Molekularna svojstva uključenih materijala utječu na to koliko se brzo i lako toplinska energija može premještati iz jednog sustava u drugi na primjer, a specifični toplinski kapacitet (količina topline potrebna za podizanje jedinične mase za 1 stupanj Celzija) utječe na rezultirajući konačni temperaturama.

Kada je riječ o plinovima, kod prijenosa toplinske energije događa se mnogo zanimljivijih pojava. Plinovi se mogu značajno širiti i skupljati, a kako to čine ovisi o spremniku u kojem su zatvoreni, tlaku sustava i temperaturi. Razumijevanje načina na koji plinovi djeluju, stoga je važno za razumijevanje termodinamike.

Kinetička teorija pruža način modeliranja plina tako da se statistička mehanika može primijeniti, što na kraju rezultira sposobnošću definiranja sustava putem skupa varijabli stanja.

Razmislite što je plin: gomila molekula koje se mogu slobodno kretati jedna oko druge. Da bismo razumjeli plin, ima smisla pogledati njegove najosnovnije komponente - molekule. Ali ne iznenađuje, ovo vrlo brzo postaje glomazno. Zamislite, na primjer, golem broj molekula u samo čaši punoj zraka. Ne postoji računalo koje je dovoljno moćno da bi pratilo međusobne interakcije tolikog broja čestica.

Umjesto toga, modeliranjem plina kao kolekcije čestica koje se podvrgavaju nasumičnom kretanju, možete početi razumjeti cjelokupnu sliku u smislu srednje kvadratnih brzina čestica, za primjer. Postaje prikladno početi govoriti o prosječnoj kinetičkoj energiji molekula, umjesto da identificiramo energiju povezanu sa svakom pojedinom česticom.

Te veličine dovode do mogućnosti definiranja varijabli stanja, koje su veličine koje opisuju stanje sustava. Glavne varijable stanja o kojima će se ovdje raspravljati bit će tlak (sila po jedinici površine), volumen (količina prostora koji zauzima plin) i temperature (što je mjera prosječne kinetičke energije po molekula). Proučavajući kako su ove varijable stanja međusobno povezane, možete steći razumijevanje termodinamičkih procesa na makroskopskoj skali.

Idealan plin je plin u kojem se izvode sljedeće pretpostavke:

Molekule se mogu tretirati poput točkastih čestica, ne zauzimajući mjesta. (Da bi to bio slučaj, visoki tlak nije dopušten ili će se molekule zbližiti dovoljno da njihove zapremine postanu relevantne.)

Intermolekularne sile i interakcije su zanemarive. (Temperatura ne može biti preniska da bi to bio slučaj. Kada je temperatura preniska, međumolekularne sile počinju igrati relativno veću ulogu.)

Molekule međusobno djeluju i stijenke spremnika u savršeno elastičnim sudarima. (To omogućuje pretpostavku očuvanja kinetičke energije.)

Jednom kad se naprave te pretpostavke, neke veze postaju očite. Među njima su zakon o idealnom plinu, koji se izražava u obliku jednadžbe kao:

GdjeStrje pritisak,Vje volumen,Tje temperatura,nje broj madeža,Nje broj molekula,Rje univerzalna plinska konstanta,kje Boltzmannova konstanta inR = Nk​.

Usko povezan sa zakonom o idealnom plinu je Charlesov zakon koji kaže da su za konstantni tlak volumen i temperatura izravno proporcionalni iliV / T= konstanta.

Izobarni proces je termodinamički proces koji se događa pod stalnim tlakom. U ovom se području primjenjuje Charlesov zakon jer se pritisak održava konstantnim.

Vrste procesa koji se mogu dogoditi kada se pritisak održava konstantnim uključuju izobarsko širenje, u kojem volumen povećava se dok se temperatura smanjuje i izobarna kontrakcija, u kojoj volumen opada dok temperatura povećava.

Ako ste ikada kuhali mikrovalni obrok koji zahtijeva da otvorite otvor za odzračivanje u plastici prije nego što ga stavite u mikrovalnu, to je zbog izobarnog širenja. Unutar mikrovalne pećnice, pritisak unutar i izvan plastificirane posude za obrok uvijek je jednak i uvijek u ravnoteži. No kako se hrana kuha i zagrijava, zrak unutar ladice se širi kao rezultat povećanja temperature. Ako nema dostupnog ventilacijskog otvora, plastika se može proširiti do točke pucanja.

Za brzi eksperiment sa kompresijom izobare kod kuće, stavite napuhani balon u zamrzivač. Ponovno, pritisak unutar i izvan balona uvijek će biti u ravnoteži. No kako se zrak u balonu hladi, uslijed toga će se smanjivati.

Ako se u bilo kojem spremniku u kojem se nalazi plin slobodno širi i skuplja, a vanjski tlak ostaje konstantan, tada bilo koji postupak će biti izobaričan jer bi svaka razlika u tlakovima uzrokovala širenje ili skupljanje dok ta razlika ne bude riješen.

Prvi zakon termodinamike kaže da promjena unutarnje energijeUsustava jednaka je razlici između količine toplinske energije dodane sustavuQi neto rad koji sustav obavljaW. U obliku jednadžbe, ovo je:

Prisjetimo se da je temperatura bila prosječna kinetička energija po molekuli. Ukupna unutarnja energija tada je zbroj kinetičkih energija svih molekula (s idealnim plinom potencijalne energije smatraju se zanemarivima). Stoga je unutarnja energija sustava izravno proporcionalna temperaturi. Budući da zakon o idealnom plinu odnosi tlak i volumen na temperaturu, unutarnja energija je također proporcionalna umnošku tlaka i volumena.

Dakle, ako se sustavu doda toplinska energija, temperatura se povećava kao i unutarnja energija. Ako sustav djeluje na okoliš, tada se ta količina energije gubi u okolišu, a temperatura i unutarnja energija se smanjuju.

Na PV dijagramu (graf tlaka vs. volumen), izobarski postupak izgleda poput vodoravnog linijskog grafikona. Budući da je količina rada obavljenog tijekom termodinamičkog postupka jednaka površini ispod PV krivulje, rad u izobarnom procesu je jednostavno:

Toplinski motori pretvaraju toplinsku energiju u mehaničku kroz potpuni nekakav ciklus. To obično zahtijeva da se sustav u nekom trenutku tijekom ciklusa proširi kako bi mogao raditi i predati energiju nečemu vanjskom.

Razmotrimo primjer u kojem je Erlenmeyerova tikvica povezana plastičnom cijevi na staklenu štrcaljku. Unutar ovog sustava nalazi se fiksna količina zraka. Ako se klip štrcaljke slobodno klizi, djelujući kao pomični klip, stavljanjem tikvice u toplinsku kupku (kadu s vrućom vodom) zrak će se proširiti i podići klip radeći posao.

Da bi se dovršio ciklus takvog toplinskog stroja, tikvicu treba staviti u hladnu kupku kako bi se štrcaljka ponovno mogla vratiti u početno stanje. Možete dodati dodatni korak da se klip koristi za podizanje mase ili neki drugi oblik mehaničkog rada dok se kreće.

Ostali postupci o kojima se detaljnije raspravlja u drugim člancima uključuju:

​Izotermnoprocesi, u kojima se temperatura održava konstantnom. Pri konstantnoj temperaturi, tlak je obrnuto proporcionalan volumenu, a izotermna kompresija rezultira porastom tlaka, dok izotermno širenje rezultira smanjenjem tlaka.

U anizohornipostupak, količina plina se održava konstantnom (spremnik u kojem se nalazi plin drži se krutim i ne može se proširiti ili stisnuti). Ovdje je tlak tada izravno proporcionalan temperaturi. Na sustavu niti u njemu ne može se raditi jer se glasnoća ne mijenja.

U anadijabatskiprocesa, ne mijenja se toplina s okolinom. U smislu prvog zakona termodinamike, to značiQ= 0, stoga svaka promjena unutarnje energije izravno odgovara radu koji se obavlja na sustavu ili od strane sustava.