Diversi processi termodinamici idealizzati descrivono come gli stati di un gas ideale possono subire cambiamenti. Il processo isobarico è solo uno di questi.
Che cos'è lo studio della termodinamica?
La termodinamica è lo studio dei cambiamenti che si verificano nei sistemi a causa del trasferimento di energia termica (energia termica). Ogni volta che due sistemi di temperatura diversa sono in contatto tra loro, l'energia termica si trasferirà dal sistema più caldo al sistema più freddo.
Molte variabili diverse influenzano il modo in cui avviene questo trasferimento di calore. Le proprietà molecolari dei materiali coinvolti influiscono sulla rapidità e facilità con cui l'energia termica è in grado di spostarsi da un sistema all'altro, per esempio, e la capacità termica specifica (la quantità di calore necessaria per aumentare una massa unitaria di 1 grado Celsius) influisce sul risultato finale temperature.
Quando si tratta di gas, si verificano molti fenomeni più interessanti quando viene trasferita l'energia termica. I gas sono in grado di espandersi e contrarsi in modo significativo e il modo in cui lo fanno dipende dal contenitore in cui sono confinati, dalla pressione del sistema e dalla temperatura. Capire come funzionano i gas, quindi, è importante per capire la termodinamica.
Teoria cinetica e variabili di stato
La teoria cinetica fornisce un modo per modellare un gas in modo che la meccanica statistica possa essere applicata, risultando infine in grado di definire un sistema tramite un insieme di variabili di stato.
Considera che cos'è un gas: un insieme di molecole tutte in grado di muoversi liberamente l'una intorno all'altra. Per comprendere un gas, ha senso esaminare i suoi componenti più basilari: le molecole. Ma non sorprende che questo diventi ingombrante molto rapidamente. Immagina, per esempio, il numero di molecole in un solo bicchiere pieno d'aria. Non esiste un computer abbastanza potente da tenere traccia delle interazioni di così tante particelle tra loro.
Invece, modellando il gas come un insieme di particelle tutte soggette a movimento casuale, puoi iniziare per comprendere il quadro generale in termini di velocità quadratiche medie delle particelle, per esempio. Diventa conveniente iniziare a parlare dell'energia cinetica media delle molecole invece di identificare l'energia associata a ogni singola particella.
Queste quantità portano alla capacità di definire variabili di stato, che sono quantità che descrivono lo stato di un sistema. Le principali variabili di stato discusse qui saranno la pressione (la forza per unità di area), il volume (la quantità di spazio occupato dal gas) e la temperatura (che è una misura dell'energia cinetica media per molecola). Studiando come queste variabili di stato si relazionano tra loro, è possibile acquisire una comprensione dei processi termodinamici su scala macroscopica.
Legge di Charles e Legge del Gas Ideale
Un gas ideale è un gas in cui vengono fatte le seguenti ipotesi:
Le molecole possono essere trattate come particelle puntiformi, non occupando spazio. (A tal fine, l'alta pressione non è consentita, o le molecole diventeranno abbastanza vicine tra loro da rendere rilevanti i loro volumi.)
Le forze e le interazioni intermolecolari sono trascurabili. (La temperatura non può essere troppo bassa per questo. Quando la temperatura è troppo bassa, le forze intermolecolari iniziano a svolgere un ruolo relativamente maggiore.)
Le molecole interagiscono tra loro e con le pareti del contenitore in urti perfettamente elastici. (Ciò consente l'assunzione di conservazione dell'energia cinetica.)
Una volta fatte queste ipotesi, alcune relazioni diventano evidenti. Tra questi ci sono la legge dei gas ideali, che è espressa in forma di equazione come:
PV = nRT = NkT
DovePè la pressione,Vè il volume,Tè la temperatura,nè il numero di moli,noè il numero di molecole,Rè la costante universale dei gas,Kè la costante di Boltzmann enR = Nk.
Strettamente correlata alla legge dei gas ideali è la legge di Charles, che afferma che, a pressione costante, il volume e la temperatura sono direttamente proporzionali, oV/T= costante.
Che cos'è un processo isobarico?
Un processo isobarico è un processo termodinamico che avviene a pressione costante. In questo ambito, si applica la legge di Charles poiché la pressione è mantenuta costante.
I tipi di processi che possono verificarsi quando la pressione è mantenuta costante includono l'espansione isobarica, in cui il volume aumenta al diminuire della temperatura e contrazione isobarica, in cui il volume diminuisce al diminuire della temperatura aumenta.
Se hai mai cucinato un pasto a microonde che richiede di tagliare uno sfiato nella plastica prima di metterlo nel microonde, è a causa dell'espansione isobarica. All'interno del microonde, la pressione all'interno e all'esterno del vassoio dei pasti rivestito di plastica è sempre la stessa e sempre in equilibrio. Ma man mano che il cibo cuoce e si riscalda, l'aria all'interno del vassoio si espande a causa dell'aumento della temperatura. Se non è disponibile alcuno sfiato, la plastica potrebbe espandersi fino al punto in cui esplode.
Per un rapido esperimento di compressione isobarica a casa, metti un palloncino gonfiato nel congelatore. Anche in questo caso, la pressione all'interno e all'esterno del pallone sarà sempre in equilibrio. Ma man mano che l'aria nel pallone si raffredda, si ridurrà di conseguenza.
Se qualunque sia il contenitore in cui si trova il gas è libero di espandersi e contrarsi e la pressione esterna rimane costante, allora qualsiasi il processo sarà isobarico perché qualsiasi differenza di pressione causerebbe espansione o contrazione fino a quando tale differenza è risolto.
Processi isobarici e primo principio della termodinamica
La prima legge della termodinamica afferma che la variazione di energia internatudi un sistema è uguale alla differenza tra la quantità di energia termica aggiunta al sistemaQe lavoro netto svolto dal sistemaW. In forma di equazione, questo è:
\Delta U = Q - W
Ricordiamo che la temperatura era l'energia cinetica media per molecola. L'energia interna totale è quindi la somma delle energie cinetiche di tutte le molecole (con un gas ideale le energie potenziali sono considerate trascurabili). Quindi l'energia interna del sistema è direttamente proporzionale alla temperatura. Poiché la legge dei gas ideali mette in relazione pressione e volume con la temperatura, anche l'energia interna è proporzionale al prodotto di pressione e volume.
Quindi, se l'energia termica viene aggiunta al sistema, la temperatura aumenta così come l'energia interna. Se il sistema funziona sull'ambiente, quella quantità di energia viene dispersa nell'ambiente e la temperatura e l'energia interna diminuiscono.
Su un diagramma PV (grafico della pressione vs. volume), un processo isobarico ha l'aspetto di un grafico a linee orizzontali. Poiché la quantità di lavoro svolto durante un processo termodinamico è uguale all'area sotto la curva PV, il lavoro svolto in un processo isobarico è semplicemente:
W = P\Delta V
Processi isobarici nei motori termici
I motori termici convertono l'energia termica in energia meccanica tramite un ciclo completo di qualche tipo. Ciò richiede in genere che un sistema si espanda ad un certo punto durante il ciclo per fare lavoro e impartire energia a qualcosa di esterno.
Consideriamo un esempio in cui una beuta di Erlenmeyer è collegata tramite un tubo di plastica a una siringa di vetro. Confinato all'interno di questo sistema è una quantità fissa di aria. Se lo stantuffo della siringa è libero di scorrere, fungendo da pistone mobile, quindi ponendo il pallone in un bagno di calore (una vasca di acqua calda), l'aria si espanderà e solleverà lo stantuffo, facendo lavoro.
Per completare il ciclo di un tale motore termico, il pallone dovrebbe essere posto in un bagno freddo in modo che la siringa possa tornare nuovamente allo stato iniziale. Puoi aggiungere un ulteriore passaggio per utilizzare lo stantuffo per sollevare una massa o eseguire qualche altra forma di lavoro meccanico mentre si muove.
Altri processi termodinamici
Altri processi discussi più dettagliatamente in altri articoli includono:
isotermicoprocessi in cui la temperatura è mantenuta costante. A temperatura costante, la pressione è inversamente proporzionale al volume e la compressione isotermica provoca un aumento della pressione mentre l'espansione isotermica provoca una diminuzione della pressione.
in anisocoraprocesso, il volume del gas è mantenuto costante (il contenitore che contiene il gas è tenuto rigido e incapace di espandersi o contrarsi). Qui la pressione è quindi direttamente proporzionale alla temperatura. Nessun lavoro può essere eseguito sul o dal sistema poiché il volume non cambia.
in anadiabaticoprocesso, non viene scambiato calore con l'ambiente. In termini della prima legge della termodinamica, questo significaQ= 0, quindi qualsiasi variazione di energia interna corrisponde direttamente al lavoro svolto sul o dal sistema.