Izobariskie procesi: definīcija, formula un piemēri

Vairāki idealizēti termodinamiskie procesi raksturo, kā ideālās gāzes stāvokļi var mainīties. Izobariskais process ir tikai viens no šiem.

Termodinamika ir pārmaiņu izpēte, kas notiek sistēmās siltumenerģijas (siltumenerģijas) nodošanas dēļ. Jebkurā laikā, kad divas dažādas temperatūras sistēmas saskaras viena ar otru, siltuma enerģija no karstākas sistēmas pāriet uz dzesētāja sistēmu.

Daudzi dažādi mainīgie ietekmē to, kā notiek šī siltuma pārnese. Iesaistīto materiālu molekulārās īpašības ietekmē to, cik ātri un viegli siltuma enerģija spēj pāriet no vienas sistēmas uz otru piemērs, un īpatnējā siltuma jauda (siltuma daudzums, kas vajadzīgs, lai masas vienību palielinātu par 1 grādu pēc Celsija) ietekmē iegūto galīgo temperatūras.

Runājot par gāzēm, pārnesot siltumenerģiju, rodas vēl daudz interesantu parādību. Gāzes spēj ievērojami paplašināties un sarauties, un tas, kā tās tiek veiktas, ir atkarīgs no tvertnes, kurā tās atrodas, no sistēmas spiediena un temperatūras. Tāpēc, lai izprastu termodinamiku, ir svarīgi saprast, kā darbojas gāzes.

Kinētiskā teorija nodrošina veidu, kā modelēt gāzi, lai varētu piemērot statistikas mehāniku, kā rezultātā galu galā ir iespējams definēt sistēmu, izmantojot stāvokļa mainīgo kopumu.

Apsveriet, kas ir gāze: ķekars molekulu, kas visas var brīvi pārvietoties viena otrai apkārt. Lai saprastu gāzi, ir jēga aplūkot tās elementārākās sastāvdaļas - molekulas. Bet nav pārsteidzoši, ka tas ļoti ātri kļūst apgrūtinošs. Iedomājieties milzīgo molekulu skaitu, piemēram, glāzē, kas ir pilna ar gaisu. Nav datora, kas būtu pietiekami jaudīgs, lai izsekotu šo daudzo daļiņu mijiedarbību savā starpā.

Tā vietā, modelējot gāzi kā daļiņu kolekciju, kurā notiek nejauša kustība, jūs varat sākt saprast kopējo ainu daļiņu vidējā kvadrātiskā ātruma izteiksmē, lai piemērs. Kļūst ērti sākt runāt par molekulu vidējo kinētisko enerģiju, nevis noteikt enerģiju, kas saistīta ar katru atsevišķo daļiņu.

Šie lielumi noved pie iespējas definēt stāvokļa mainīgos, kas ir lielumi, kas raksturo sistēmas stāvokli. Galvenie stāvokļa mainīgie, kas šeit apspriesti, būs spiediens (spēks uz laukuma vienību), tilpums (daudzums kosmosa, kuru aizņem gāze) un temperatūras (kas ir vidējās kinētiskās enerģijas rādītājs uz 1 molekula). Pētot, kā šie stāvokļa mainīgie ir saistīti viens ar otru, jūs varat iegūt izpratni par termodinamiskiem procesiem makroskopiskā mērogā.

Ideāla gāze ir gāze, kurā tiek izdarīti šādi pieņēmumi:

Molekulas var apstrādāt kā punktveida daļiņas, neaizņemot vietu. (Lai tas tā būtu, augsts spiediens nav atļauts, vai arī molekulas kļūs pietiekami tuvu viena otrai, lai to tilpumi kļūtu nozīmīgi.)

Starpmolekulārie spēki un mijiedarbība ir nenozīmīga. (Temperatūra nevar būt pārāk zema, lai tas tā būtu. Ja temperatūra ir pārāk zema, starpmolekulārajiem spēkiem sāk būt relatīvi lielāka loma.)

Molekulas savstarpēji un konteinera sienām mijiedarbojas pilnīgi elastīgās sadursmēs. (Tas ļauj pieņemt kinētiskās enerģijas saglabāšanos.)

Kad šie pieņēmumi ir izdarīti, dažas attiecības kļūst acīmredzamas. Starp tiem ir ideāls gāzes likums, kas vienādojuma formā tiek izteikts šādi:

KurPir spiediens,Vir tilpums,Tir temperatūra,nir molu skaits,Nir molekulu skaits,Rir universālā gāzes konstante,kir Boltzmana konstante unnR = Nk​.

Ar ideālo gāzes likumu ir cieši saistīts Čārlza likums, kurā teikts, ka pastāvīgam spiedienam tilpums un temperatūra ir tieši proporcionāli vaiV / T= nemainīgs.

Izobariskais process ir termodinamisks process, kas notiek nemainīgā spiedienā. Šajā jomā ir spēkā Čārlza likumi, jo spiediens tiek turēts nemainīgs.

Procesu veidi, kas var notikt, ja spiediens tiek turēts nemainīgs, ietver izobarisko izplešanos, kurā tilpums palielinās, kamēr temperatūra pazeminās, un izobāriskā kontrakcija, kurā tilpums samazinās, kamēr temperatūra palielinās.

Ja esat kādreiz gatavojis mikroviļņu maltīti, kuras pagatavošanai pirms ievietošanas mikroviļņu krāsnī ir nepieciešams sagriezt ventilācijas atveri, tas notiek izobariskās izplešanās dēļ. Mikroviļņu krāsnī iekšpusē un ārpusē ar plastmasu pārklāta maltīšu paplātes spiediens vienmēr ir vienāds un vienmēr līdzsvarā. Bet ēdienam gatavojoties un uzsilstot, temperatūras paaugstināšanās rezultātā paplātes iekšpusē esošais gaiss izplešas. Ja ventilācijas atveres nav pieejamas, plastmasa var izplesties līdz vietai, kur tā plīst.

Lai veiktu ātru mājas izobāras saspiešanas eksperimentu, ievietojiet saldētavā piepūstu balonu. Atkal spiediens gaisa balonā un ārpus tā vienmēr būs līdzsvarā. Bet, tā kā gaiss balonā atdziest, tas samazināsies.

Ja kāds konteiners, kurā atrodas gāze, var brīvi izplesties un sarauties, un ārējais spiediens paliek nemainīgs, tad jebkurš process būs izobarisks, jo jebkura spiediena atšķirība varētu izraisīt izplešanos vai saraušanos, līdz šī starpība ir atrisināts.

Pirmais termodinamikas likums nosaka, ka izmaiņas iekšējā enerģijāUsistēmas starpība ir vienāda ar starpību starp sistēmai pievienotās siltumenerģijas daudzumuJun tīkla veiktais tīrais darbsW. Vienādojuma formā tas ir:

Atgādināsim, ka temperatūra bija vidējā kinētiskā enerģija uz vienu molekulu. Kopējā iekšējā enerģija tad ir visu molekulu kinētisko enerģiju summa (ar ideālu gāzi potenciālās enerģijas tiek uzskatītas par nenozīmīgām). Tādējādi sistēmas iekšējā enerģija ir tieši proporcionāla temperatūrai. Tā kā ideālais gāzes likums ir saistīts ar spiedienu un tilpumu ar temperatūru, iekšējā enerģija ir proporcionāla arī spiediena un tilpuma reizinājumam.

Tātad, ja sistēmai pievieno siltumenerģiju, temperatūra palielinās tāpat kā iekšējā enerģija. Ja sistēma patiešām strādā pie vides, tad šis enerģijas daudzums tiek zaudēts videi, un temperatūra un iekšējā enerģija samazinās.

PV diagrammā (spiediena grafiks vs. tilpums), izobarisks process izskatās kā horizontālas līnijas grafiks. Tā kā termodinamiskā procesa laikā paveiktā darba apjoms ir vienāds ar laukumu zem PV līknes, izobariskajā procesā veiktais darbs ir vienkārši:

Siltuma dzinēji pārveido siltumenerģiju mehāniskā enerģijā, izmantojot visu sava veida ciklu. Tas parasti prasa, lai sistēma cikla laikā paplašinātos, lai veiktu darbu un piešķirtu enerģiju kaut kam ārējam.

Apsveriet piemēru, kurā Erlenmeijera kolba ar plastmasas caurulēm ir savienota ar stikla šļirci. Šajā sistēmā ir noteikts gaisa daudzums. Ja šļirces virzulis var brīvi slīdēt, darbojoties kā kustīgs virzulis, tad, ievietojot kolbu siltuma vannā (karstā ūdens vannā), gaiss paplašināsies un pacels virzuli, veicot darbu.

Lai pabeigtu šāda karstuma dzinēja ciklu, kolba būtu jāievieto aukstā vannā, lai šļirce atkal varētu atgriezties sākuma stāvoklī. Varat pievienot papildu soli, kurā virzuli izmanto, lai paceltu masu vai veiktu kādu citu mehānisku darbu kustības laikā.

Citi procesi, kas sīkāk aplūkoti citos rakstos, ietver:

​Izotermisksprocesi, kuros temperatūra tiek turēta nemainīga. Pastāvīgā temperatūrā spiediens ir apgriezti proporcionāls tilpumam, un izotermiskās saspiešanas rezultātā palielinās spiediens, savukārt izotermiskās izplešanās rezultātā samazinās spiediens.

Inizohorisksprocess, gāzes tilpums tiek turēts nemainīgs (tvertne, kurā atrodas gāze, tiek turēta stingri un nespēj paplašināties vai sarauties). Šeit spiediens ir tieši proporcionāls temperatūrai. Sistēmā vai sistēmā nevar veikt nekādus darbus, jo apjoms nemainās.

Inadiabātisksprocesā siltums netiek apmainīts ar apkārtējo vidi. Runājot par pirmo termodinamikas likumu, tas nozīmēJ= 0, līdz ar to jebkuras izmaiņas iekšējā enerģijā tieši atbilst darbam, kas tiek veikts sistēmā.