Izobariniai procesai: apibrėžimas, formulė ir pavyzdžiai

Keli idealizuoti termodinaminiai procesai apibūdina, kaip gali pasikeisti idealių dujų būsenos. Izobarinis procesas yra tik vienas iš tokių.

Termodinamika - tai pokyčių, atsirandančių sistemose dėl šilumos energijos (šilumos energijos) perdavimo, tyrimas. Bet kuriuo metu, kai dvi skirtingos temperatūros sistemos liečiasi tarpusavyje, šilumos energija iš karštesnės sistemos pereis į aušintuvo sistemą.

Daugelis skirtingų kintamųjų turi įtakos šilumos perdavimui. Dalyvaujančių medžiagų molekulinės savybės turi įtakos tam, kaip greitai ir lengvai šilumos energija sugeba pereiti iš vienos sistemos į kitą pavyzdys, o specifinė šilumos talpa (šilumos kiekis, reikalingas masės vienetui pakelti 1 laipsniu Celsijaus) paveikia galutinį temperatūros.

Kalbant apie dujas, perduodant šilumos energiją įvyksta daug įdomesnių reiškinių. Dujos gali žymiai išsiplėsti ir susitraukti, o kaip tai padaryti, priklauso nuo talpyklos, kurioje jos yra, sistemos slėgio ir temperatūros. Todėl suprantant, kaip veikia dujos, svarbu suprasti termodinamiką.

Kinetinė teorija suteikia būdą modeliuoti dujas, kad būtų galima taikyti statistinę mechaniką, galiausiai galintį nustatyti sistemą per būsenos kintamųjų rinkinį.

Apsvarstykite, kas yra dujos: krūva molekulių, kurios visos gali laisvai judėti viena kitai. Norint suprasti dujas, prasminga pažvelgti į pagrindinius jų komponentus - molekules. Bet nenuostabu, kad tai labai greitai tampa sudėtinga. Įsivaizduokite, pavyzdžiui, didžiulį molekulių skaičių stiklinėje, kurioje pilna oro. Nėra pakankamai galingo kompiuterio, kad būtų galima stebėti tiek daug dalelių tarpusavio sąveiką.

Vietoj to, modeliuodami dujas kaip dalelių rinkinį, kurie visi atsitiktinai juda, galite pradėti suprasti bendrą vaizdą pagal vidutinį dalelių kvadratinį greitį, pavyzdys. Pradėti kalbėti apie vidutinę kinetinę molekulių energiją, o ne nustatyti energiją, susijusią su kiekviena dalele, tampa patogu.

Šie dydžiai lemia galimybę apibrėžti būsenos kintamuosius, kurie yra sistemos būseną apibūdinantys dydžiai. Pagrindiniai čia aptarti būsenos kintamieji bus slėgis (jėga ploto vienetui), tūris (kiekis kosmoso, kurį užima dujos) ir temperatūra (tai yra vidutinės kinetinės energijos, tenkančios vienam molekulė). Tyrinėdami, kaip šie būsenos kintamieji yra tarpusavyje susiję, galite suprasti termodinaminius procesus makroskopiniu mastu.

Idealios dujos yra dujos, kuriose daromos šios prielaidos:

Molekulės gali būti apdorojamos kaip taškinės dalelės, neužimdamos vietos. (Kad taip būtų, aukštas slėgis neleidžiamas, arba molekulės taps pakankamai arti viena kitos, kad jų tūris taptų aktualus.)

Tarpmolekulinės jėgos ir sąveika yra nereikšmingos. (Temperatūra negali būti per žema, kad taip būtų. Kai temperatūra per žema, tarpmolekulinės jėgos pradeda vaidinti santykinai didesnį vaidmenį.)

Molekulės sąveikauja tarpusavyje ir su talpyklos sienomis, susidurdamos visiškai elastingai. (Tai leidžia daryti prielaidą apie kinetinės energijos išsaugojimą.)

Padarius šias prielaidas, paaiškėja kai kurie santykiai. Tarp jų yra idealus dujų įstatymas, kuris formulės forma išreiškiamas taip:

KurPyra spaudimas,Vyra tūris,Tyra temperatūra,nyra apgamų skaičius,Nyra molekulių skaičius,Ryra universali dujų konstanta,kyra Boltzmanno konstanta irnR = Nk​.

Su idealiu dujų įstatymu glaudžiai susijęs Karolio įstatymas, kuriame teigiama, kad pastoviam slėgiui tūris ir temperatūra yra tiesiogiai proporcingi arbaV / T= pastovi.

Izobarinis procesas yra termodinaminis procesas, vykstantis esant pastoviam slėgiui. Šioje srityje galioja Charleso įstatymas, nes spaudimas yra nuolatinis.

Procesų, kurie gali įvykti, kai slėgis yra pastovus, tipai yra izobarinė plėtra, kurios tūris didėja, kai temperatūra mažėja, ir izobarinis susitraukimas, kurio tūris mažėja, kai temperatūra dideja.

Jei kada nors ruošėte mikrobangų patiekalą, kuriam prieš dedant į mikrobangų krosnelę reikia išpjauti ventiliacijos angą, tai yra dėl izobarinės išsiplėtimo. Mikrobangų krosnelėje slėgis plastiku dengtų patiekalų padėklo viduje ir išorėje visada yra vienodas ir visada pusiausvyroje. Bet maistui gaminant ir kaistant, dėl padidėjusios temperatūros padėklo viduje esantis oras išsiplečia. Jei nėra ventiliacijos angos, plastikas gali išsiplėsti iki taško, kuriame jis plyšta.

Norėdami greitai atlikti izobarinio suspaudimo namuose eksperimentą, įdėkite pripūstą balioną į savo šaldiklį. Vėlgi, slėgis balione ir už jo ribų visada bus pusiausvyroje. Bet kai oro balionas atvės, dėl to jis sumažės.

Jei koks nors konteineris, kuriame yra dujos, gali laisvai išsiplėsti ir susitraukti, o išorinis slėgis išlieka pastovus, tada bet koks procesas bus izobarinis, nes bet koks slėgio skirtumas sukeltų išsiplėtimą ar susitraukimą, kol tas skirtumas nebus išsisprendė.

Pirmasis termodinamikos dėsnis teigia, kad vidinės energijos pokytisUsistemos skirtumas yra lygus skirtumui tarp į sistemą pridėtos šilumos energijosKlausimasir sistemos atliktas grynasis darbasW. Lygties pavidalu tai yra:

Prisiminkime, kad temperatūra buvo vidutinė molekulės kinetinė energija. Tuomet visa vidinė energija yra visų molekulių kinetinių energijų suma (esant idealioms dujoms, potencialios energijos laikomos nereikšmingomis). Taigi sistemos vidinė energija yra tiesiogiai proporcinga temperatūrai. Kadangi idealus dujų įstatymas susieja slėgį ir tūrį su temperatūra, vidinė energija taip pat yra proporcinga slėgio ir tūrio sandaugai.

Taigi, jei į sistemą dedama šilumos energija, temperatūra didėja, kaip ir vidinė energija. Jei sistema veikia aplinką, tada tas energijos kiekis prarandamas aplinkai, o temperatūra ir vidinė energija sumažėja.

PV diagramoje (slėgio grafikas vs. tūris), izobarinis procesas atrodo kaip horizontalios linijos grafikas. Kadangi termodinaminio proceso metu atlikto darbo kiekis yra lygus plotui po PV kreive, izobariniame procese atliktas darbas yra tiesiog:

Šilumos varikliai šilumos energiją paverčia mechanine energija per tam tikrą ciklą. Tam paprastai reikia, kad sistema tam tikru ciklo metu išsiplėstų, kad galėtų dirbti ir suteikti energiją kažkam išoriniam.

Apsvarstykite pavyzdį, kai Erlenmeyerio kolba plastikiniais vamzdeliais sujungiama su stikliniu švirkštu. Šioje sistemoje yra fiksuotas oro kiekis. Jei švirkšto stūmoklis gali laisvai slysti, veikdamas kaip kilnojamas stūmoklis, tada įdėjus kolbą į šilumos vonią (vonią su karštu vandeniu), oras išsiplės ir pakels stūmoklį, atlikdamas darbą.

Norint užbaigti tokio šiluminio variklio ciklą, kolbą reikės įdėti į šaltą vonią, kad švirkštas vėl galėtų grįžti į pradinę būseną. Galite pridėti papildomą žingsnį, kai stūmoklis bus naudojamas pakelti masę ar atlikti kitokį mechaninį darbą jam judant.

Kiti procesai, išsamiau aptarti kituose straipsniuose, yra šie:

​Izoterminisprocesai, kuriuose temperatūra laikoma pastovi. Esant pastoviai temperatūrai, slėgis yra atvirkščiai proporcingas tūriui, o dėl izoterminio suspaudimo padidėja slėgis, o dėl izoterminio išsiplėtimo sumažėja slėgis.

Įizohorinisproceso metu dujų tūris yra pastovus (dujas laikantis konteineris laikomas standus ir negali išsiplėsti ar susitraukti). Tada slėgis yra tiesiogiai proporcingas temperatūrai. Sistemoje negalima atlikti jokių darbų, nes garsumas nesikeičia.

Įadiabatinisprocese šiluma nekeičiama su aplinka. Kalbant apie pirmąjį termodinamikos dėsnį, tai reiškiaKlausimas= 0, taigi bet koks vidinės energijos pokytis tiesiogiai atitinka sistemos ar jos atliktą darbą.