תהליכים איזובריים: הגדרה, נוסחה ודוגמאות

כמה תהליכים תרמודינמיים אידיאליים מתארים כיצד מצבים של גז אידיאלי יכולים לעבור שינוי. התהליך האיזוברי הוא רק אחד מאלה.

תרמודינמיקה היא חקר השינויים המתרחשים במערכות עקב העברת אנרגיה תרמית (אנרגיית חום). בכל פעם ששתי מערכות בעלות טמפרטורה שונה נמצאות בקשר אחת עם השנייה, אנרגיית החום תעבור מהמערכת החמה יותר למערכת הצידנית.

משתנים רבים ושונים משפיעים על אופן העברת החום הזה. התכונות המולקולריות של החומרים המעורבים משפיעות על האופן שבו במהירות אנרגיית חום מסוגלת לעבור ממערכת אחת לאחרת לדוגמא, וקיבולת החום הספציפית (כמות החום הנדרשת להעלאת מסת היחידה ב מעלה אחת צלזיוס) משפיעה על הסופי שהתקבל טמפרטורות.

כשמדובר בגזים, תופעות מעניינות רבות יותר מתרחשות כאשר מעבירים אנרגיית חום. גזים מסוגלים להתרחב ולהתכווץ באופן משמעותי, ואיך הם עושים זאת תלוי במיכל שהם מרותקים בו, בלחץ המערכת ובטמפרטורה. ההבנה כיצד פועלים גזים, לכן, חשובה בהבנת התרמודינמיקה.

התיאוריה הקינטית מספקת דרך לדגמן גז כך שניתן יהיה ליישם מכניקה סטטיסטית, ובסופו של דבר להביא ליכולת להגדיר מערכת באמצעות קבוצה של משתני מצב.

שקול מהו גז: חבורה של מולקולות שכולן יכולות לנוע בחופשיות זו סביב זו. על מנת להבין גז, הגיוני לבחון את המרכיבים הבסיסיים ביותר שלו - המולקולות. אך לא במפתיע, זה הופך להיות מסורבל מהר מאוד. דמיין את המספר העצום של מולקולות בכוס מלאה באוויר למשל. אין מחשב חזק מספיק כדי לעקוב אחר האינטראקציות של חלקיקים רבים זה עם זה.

במקום זאת, על ידי דוגמנות הגז כאוסף של חלקיקים שכולם עוברים תנועה אקראית, אתה יכול להתחיל כדי להבין את התמונה הכוללת במונחים של שורשי מהירות מרובעת של החלקיקים, עבור דוגמא. זה הופך להיות נוח להתחיל לדבר על האנרגיה הקינטית הממוצעת של המולקולות במקום לזהות את האנרגיה הקשורה לכל חלקיק בודד.

כמויות אלה מובילות ליכולת להגדיר משתני מצב, שהם כמויות המתארות את מצב המערכת. המשתנים העיקריים של המצב הנדונים כאן יהיו לחץ (הכוח ליחידת שטח), הנפח (הכמות) שטח הגז תופס) והטמפרטורה (שהיא מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת לכל מולקולה). על ידי לימוד כיצד משתנים מצב אלה מתייחסים זה לזה, תוכלו לקבל הבנה של תהליכים תרמודינמיים בקנה מידה מקרוסקופי.

גז אידיאלי הוא גז בו מתקבלות ההנחות הבאות:

ניתן לטפל במולקולות כמו חלקיקי נקודה, ולא תופסות מקום. (כדי שזה יהיה המקרה, לחץ גבוה אינו מותר, או שהמולקולות יתקרבו מספיק ביניהן בכדי שנפחיהן יהפוך לרלוונטי).

כוחות בין-מולקולריים ואינטראקציות זניחים. (הטמפרטורה לא יכולה להיות נמוכה מכדי שזה יהיה המקרה. כאשר הטמפרטורה נמוכה מדי, הכוחות הבין מולקולריים מתחילים למלא תפקיד גדול יחסית.)

המולקולות מתקשרות זו עם זו וקירות המכל בהתנגשויות אלסטיות לחלוטין. (זה מאפשר הנחה של שימור אנרגיה קינטית.)

ברגע שמניחים הנחות אלו, כמה מערכות יחסים מתגלות. בין אלה ניתן למצוא את חוק הגז האידיאלי, המתבטא בצורה משוואתית כ:

איפהפזה לחץ,והוא נפח,טזה טמפרטורה,נהוא מספר השומות,נהוא מספר המולקולות,רהוא קבוע הגז האוניברסלי,kהוא קבוע בולצמן וnR = Nk​.

קשור באופן הדוק לחוק הגז האידיאלי הוא חוק צ'ארלס, הקובע כי עבור לחץ קבוע, הנפח והטמפרטורה הם פרופורציונליים ישירות, אוV / T= קבוע.

תהליך איזוברי הוא תהליך תרמודינמי המתרחש בלחץ קבוע. בתחום זה, החוק של צ'רלס חל מכיוון שהלחץ מוחזק קבוע.

סוגי התהליכים שיכולים לקרות כאשר לחץ מוחזק קבוע כוללים התרחבות איזוברית, בה נפח עולה בזמן שהטמפרטורה פוחתת, והתכווצות איזוברית, בה נפח יורד בזמן הטמפרטורה עולה.

אם אי פעם בישלת ארוחה במיקרוגל שדורשת ממך לחתוך פורקן בפלסטיק לפני הכנסת אותו למיקרוגל, זה בגלל התרחבות איזוברית. בתוך המיקרוגל, הלחץ בתוך ומחוץ למגש הארוחה המכוסה פלסטיק הוא תמיד זהה ותמיד בשיווי משקל. אך ככל שהאוכל מתבשל ומתחמם, האוויר בתוך המגש מתרחב כתוצאה מעליית הטמפרטורה. אם אין פתח אוורור, הפלסטיק עשוי להתרחב עד לנקודה שבה הוא מתפוצץ.

לניסוי דחיסה איזוברי מהיר בבית, הכניסו למקפיא בלון מנופח. שוב, לחץ בתוך הבלון ומחוצה לו תמיד יהיה בשיווי משקל. אך ככל שהאוויר בבלון יתקרר, הוא יתכווץ כתוצאה מכך.

אם כל מיכל בו נמצא הגז חופשי להתרחב ולהתכווץ, והלחץ החיצוני נשאר קבוע, אזי כל שהוא התהליך יהיה איזוברי מכיוון שכל הבדל בלחצים יגרום להתרחבות או התכווצות עד להבדל נפתרה.

החוק הראשון של התרמודינמיקה קובע כי השינוי באנרגיה הפנימיתUשל מערכת שווה להפרש בין כמות אנרגיית החום שנוספה למערכתשועבודה נטו שנעשתה על ידי המערכתW. בצורה משוואת, זה:

נזכיר כי הטמפרטורה הייתה האנרגיה הקינטית הממוצעת למולקולה. האנרגיה הפנימית הכוללת היא אז סכום האנרגיות הקינטיות של כל המולקולות (עם גז אידיאלי, אנרגיות פוטנציאליות נחשבות זניחות). מכאן שהאנרגיה הפנימית של המערכת היא ביחס ישר לטמפרטורה. מכיוון שחוק הגז האידיאלי מתייחס ללחץ ולנפח לטמפרטורה, האנרגיה הפנימית גם פרופורציונאלית לתוצר הלחץ והנפח.

כך שאם מוסיפים אנרגיה חום למערכת, הטמפרטורה עולה כמו האנרגיה הפנימית. אם המערכת אכן עובדת על הסביבה, אז כמות האנרגיה הזו הולכת לאיבוד לסביבה, והטמפרטורה והאנרגיה הפנימית יורדות.

בתרשים PV (גרף של לחץ לעומת נפח), תהליך איזוברי נראה כמו גרף קו אופקי. מכיוון שכמות העבודה שנעשתה בתהליך תרמודינמי שווה לשטח שמתחת לעקומת ה- PV, העבודה שנעשתה בתהליך איזובארי היא פשוט:

מנועי חום ממירים אנרגיית חום לאנרגיה מכנית באמצעות מחזור שלם כלשהו. זה בדרך כלל דורש מערכת להתרחב בשלב כלשהו במהלך המחזור כדי לעשות עבודה ולהעניק אנרגיה למשהו חיצוני.

שקול דוגמה בה מחוברת בקבוק ארלנמאייר באמצעות צינורות פלסטיק למזרק זכוכית. מוגבלת בתוך מערכת זו כמות קבועה של אוויר. אם הבוכנה של המזרק חופשית להחלפה, מתנהגת כבוכנה נידחת, ואז על ידי הצבת הבקבוקון באמבט חום (אמבט של מים חמים), האוויר יתרחב וירים את הבוכנה, ויעשה עבודה.

כדי להשלים את המחזור של מנוע חום כזה, יש להכניס את הבקבוקון לאמבטיה קרה כדי שהמזרק יוכל לחזור למצב ההתחלה שלו שוב. אתה יכול להוסיף שלב נוסף של שימוש בבוכנה להרמת מסה או לביצוע צורה אחרת של עבודה מכנית תוך כדי תנועה.

תהליכים אחרים שנדונו בפירוט רב יותר במאמרים אחרים כוללים:

​איזותרמיתהליכים, בהם הטמפרטורה מוחזקת קבועה. בטמפרטורה קבועה, הלחץ הוא ביחס הפוך לנפח, ודחיסה איזותרמית מביאה לעליית לחץ ואילו התרחבות איזותרמית מביאה לירידה בלחץ.

בתוךאיזוכוריתהליך, נפח הגז מוחזק קבוע (המיכל המחזיק את הגז מוחזק נוקשה ואינו מסוגל להתרחב או להתכווץ). כאן לחץ הוא פרופורציונלי ישירות לטמפרטורה. לא ניתן לבצע כל עבודה על המערכת או על ידי המערכת מכיוון שעוצמת הקול אינה משתנה.

בתוךאדיאבטיתתהליך, לא מחליפים שום חום עם הסביבה. במונחים של החוק הראשון של התרמודינמיקה, פירוש הדברש= 0, ומכאן שכל שינוי באנרגיה הפנימית תואם ישירות לעבודה המתבצעת על המערכת או על ידיה.