Számos idealizált termodinamikai folyamat írja le, hogyan változhatnak át egy ideális gáz állapota. Az izobár folyamat csak egy ilyen.
Mi a termodinamika vizsgálata?
A termodinamika azoknak a változásoknak a tanulmányozása, amelyek a rendszerekben bekövetkeznek a hőenergia (hőenergia) átadása miatt. Bármikor, amikor két különböző hőmérsékletű rendszer érintkezik egymással, a hőenergia átkerül a melegebb rendszerből a hűtő rendszerbe.
Sokféle változó befolyásolja ennek a hőátadásnak a kialakulását. Az érintett anyagok molekuláris tulajdonságai befolyásolják, hogy a hőenergia milyen gyorsan és egyszerűen képes az egyik rendszerből a másikba mozogni példa, és a fajlagos hőkapacitás (az egység tömegének 1 Celsius fokkal történő emeléséhez szükséges hőmennyiség) befolyásolja a kapott végső hőmérsékletek.
Ami a gázokat illeti, még sok érdekes jelenség fordul elő a hőenergia átadásakor. A gázok képesek jelentősen kitágulni és összehúzódni, és ennek módja függ a zárt tartálytól, a rendszer nyomásától és a hőmérséklettől. Ezért fontos megérteni a gázok működését a termodinamika megértésében.
Kinetikai elmélet és állapotváltozók
A kinetikus elmélet a gáz modellezésének módját biztosítja a statisztikai mechanika alkalmazására, amelynek eredményeként egy rendszert állapotváltozók halmazán keresztül lehet definiálni.
Gondoljunk csak arra, hogy mi a gáz: egy csomó molekula, amelyek mind szabadon mozoghatnak egymás körül. A gáz megértése érdekében érdemes megvizsgálni a legalapvetőbb alkotóelemeit - a molekulákat. De nem meglepő, hogy ez nagyon nehézkessé válik. Képzelje el a molekulák számát például csak egy pohár levegővel. Nincs olyan számítógép, amely elég erős lenne ahhoz, hogy nyomon követhesse a sok részecske kölcsönhatásait egymással.
Ehelyett azzal kezdheti meg, hogy a gázt mint véletlenszerű mozgáson áteső részecskegyűjteményt modellezi megérteni az összképet a részecskék négyzetes középsebessége alapján, a példa. Kényelmessé válik a molekulák átlagos kinetikus energiájáról beszélni, ahelyett, hogy azonosítanánk az egyes részecskékhez tartozó energiát.
Ezek a mennyiségek az állapotváltozók meghatározásának képességéhez vezetnek, amelyek olyan mennyiségek, amelyek leírják a rendszer állapotát. Az itt tárgyalt fő állapotváltozók a nyomás (a területegységre eső erő), a térfogat (az összeg az űrben a gáz felveszi) és a hőmérséklet (amely az átlagos kinetikus energia mértéke per molekula). Tanulmányozva, hogy ezek az állapotváltozók hogyan viszonyulnak egymáshoz, megismerheti a termodinamikai folyamatokat makroszkopikus skálán.
Károly törvénye és az ideális gáz törvénye
Az ideális gáz olyan gáz, amelyben a következő feltételezéseket vesszük fel:
A molekulákat pont részecskékként lehet kezelni, nem foglalnak helyet. (Ennek érdekében nagy nyomás nem megengedett, vagy a molekulák elég közel kerülnek egymáshoz ahhoz, hogy térfogatuk relevánssá váljon.)
Az intermolekuláris erők és kölcsönhatások elhanyagolhatók. (A hőmérséklet nem lehet túl alacsony ahhoz, hogy ez így legyen. Túl alacsony hőmérséklet esetén az intermolekuláris erők viszonylag nagyobb szerepet játszanak.)
A molekulák tökéletesen rugalmas ütközések során kölcsönhatásba lépnek egymással és a tartály falával. (Ez lehetővé teszi a kinetikus energia megőrzésének feltételezését.)
Miután ezeket a feltételezéseket megfogalmazták, nyilvánvalóvá válnak egyes kapcsolatok. Ezek között van az ideális gáztörvény, amelyet egyenlet formájában fejeznek ki:
PV = nRT = NkT
HolPa nyomás,Vkötet,Ta hőmérséklet,naz anyajegyek száma,Na molekulák száma,Raz univerzális gázállandó,ka Boltzmann-állandó ésnR = Nk.
Az ideális gáztörvényhez szorosan kapcsolódik Charles törvénye, amely kimondja, hogy az állandó nyomáshoz a térfogat és a hőmérséklet egyenesen arányos, ill.V / T= állandó.
Mi az izobár folyamat?
Az izobáros folyamat olyan termodinamikai folyamat, amely állandó nyomáson megy végbe. Ebben a téren Charles törvénye alkalmazandó, mivel a nyomás állandó.
Azok a folyamatok, amelyek a nyomás állandó állapotában történhetnek, tartalmazzák az izobár tágulást, amelynek térfogata növekszik, miközben a hőmérséklet csökken, és izobár összehúzódás, amelyben a térfogat csökken, miközben a hőmérséklet növekszik.
Ha már főzött olyan mikrohullámú ételt, amelynél a mikrohullámú sütőbe helyezés előtt le kell vágnia a műanyag nyílását, ez az izobáras tágulásnak köszönhető. A mikrohullámú sütőben a nyomás a műanyaggal borított ételtálcán belül és kívül mindig azonos és mindig egyensúlyban van. De ahogy az étel főz és felmelegszik, a hőmérséklet növekedése következtében a tálca belsejében lévő levegő kitágul. Ha nem áll rendelkezésre szellőző, a műanyag kitágulhat odáig, hogy felszakadjon.
Egy gyors otthoni izobár kompressziós kísérlethez tegyen egy felfújt léggömböt a fagyasztóba. A léggömbön belül és kívül a nyomás mindig egyensúlyban lesz. De ahogy a léggömb levegője lehűl, ennek következtében zsugorodni fog.
Ha bármelyik tartályban a gáz szabadon kitágulhat és összehúzódhat, és a külső nyomás állandó marad, akkor bármely a folyamat izobárikus lesz, mert a nyomáskülönbségek tágulást vagy összehúzódást okoznak, amíg ez a különbség nem lesz megoldódott.
Izobár folyamatok és a termodinamika első törvénye
A termodinamika első törvénye kimondja, hogy a belső energia változásaUegy rendszer egyenlő a rendszerhez hozzáadott hőenergia mennyiségének különbségévelQés a rendszer által elvégzett nettó munkaW. Egyenlet formájában ez:
\ Delta U = Q - W
Emlékezzünk vissza arra, hogy a hőmérséklet egy molekulára jutó átlagos kinetikus energia volt. A teljes belső energia ekkor az összes molekula mozgási energiájának összege (ideális gáz esetén a potenciális energiákat elhanyagolhatónak tekintjük). Ezért a rendszer belső energiája közvetlenül arányos a hőmérséklettel. Mivel az ideális gáztörvény a nyomást és a térfogatot viszonyítja a hőmérséklethez, a belső energia is arányos a nyomás és a térfogat szorzatával.
Tehát ha hőenergiát adunk a rendszerhez, akkor a hőmérséklet is nő, mint a belső energia. Ha a rendszer működik a környezeten, akkor ez az energiamennyiség elvész a környezet számára, és csökken a hőmérséklet és a belső energia.
PV diagramon (a nyomás grafikonja vs. kötet), egy izobár folyamat úgy néz ki, mint egy vízszintes vonaldiagram. Mivel a termodinamikai folyamat során elvégzett munka mennyisége megegyezik a PV görbe alatti területtel, az izobár folyamatban végzett munka egyszerűen:
W = P \ Delta V
Izobár folyamatok a hőmotorokban
A hőmotorok a hőenergiát valamilyen teljes cikluson keresztül mechanikai energiává alakítják. Ehhez általában egy rendszerre van szükség a ciklus bizonyos pontján történő kibővítéséhez, hogy munkát végezzen és energiát adjon valami külsőnek.
Vegyünk egy példát, amelyben egy Erlenmeyer-lombikot műanyag csöveken keresztül egy üvegfecskendőhöz csatlakoztatunk. Ebben a rendszerben rögzített mennyiségű levegő van. Ha a fecskendő dugattyúja szabadon csúszhat, mozgatható dugattyúként működik, akkor a lombikot hőfürdőbe (egy kád forró vízbe) helyezve a levegő kitágul és felemeli a dugattyút, miközben munkát végez.
Az ilyen hőmotor ciklusának befejezéséhez a lombikot hideg fürdőbe kell helyezni, hogy a fecskendő újra visszatérhessen kiindulási állapotába. Hozzáadhat egy további lépést, amellyel a dugattyút tömeg felhúzására vagy más mechanikai munka elvégzésére használhatja mozgás közben.
Egyéb termodinamikai folyamatok
A többi cikkben részletesebben tárgyalt egyéb folyamatok a következők:
Izotermikusfolyamatok, amelyekben a hőmérséklet állandó. Állandó hőmérsékleten a nyomás fordítottan arányos a térfogattal, és az izoterm kompresszió nyomásnövekedést, míg az izotermikus expanzió nyomáscsökkenést eredményez.
Egy anizokhorikusfolyamat során a gáz térfogatát állandó értéken tartják (a gázt tartó tartályt mereven tartják, és nem képes kitágulni vagy összehúzódni). Itt a nyomás ekkor közvetlenül arányos a hőmérséklettel. A rendszeren vagy a rendszeren nem lehet munkát végezni, mivel a hangerő nem változik.
Egy anadiabatikusfolyamat során hő nem változik a környezettel. A termodinamika első törvényét tekintve ez azt jelentiQ= 0, ezért a belső energiában bekövetkező bármilyen változás közvetlenül megfelel a rendszeren vagy a rendszeren végzett munkának.