Isobare processen: definitie, formule en voorbeelden

Verschillende geïdealiseerde thermodynamische processen beschrijven hoe toestanden van een ideaal gas kunnen veranderen. Het isobare proces is er slechts één van.

Thermodynamica is de studie van veranderingen die optreden in systemen als gevolg van de overdracht van thermische energie (warmte-energie). Telkens wanneer twee systemen van verschillende temperatuur met elkaar in contact zijn, wordt warmte-energie overgedragen van het warmere systeem naar het koelere systeem.

Veel verschillende variabelen beïnvloeden hoe deze warmteoverdracht plaatsvindt. De moleculaire eigenschappen van de betrokken materialen beïnvloeden hoe snel en gemakkelijk warmte-energie van het ene systeem naar het andere kan gaan bijvoorbeeld, en de specifieke warmtecapaciteit (de hoeveelheid warmte die nodig is om een ​​eenheidsmassa met 1 graad Celsius te verhogen) beïnvloedt de resulterende finale temperaturen.

Als het om gassen gaat, doen zich veel meer interessante verschijnselen voor bij de overdracht van warmte-energie. Gassen kunnen aanzienlijk uitzetten en krimpen, en hoe ze dat doen, hangt af van de container waarin ze zijn opgesloten, de druk van het systeem en de temperatuur. Begrijpen hoe gassen werken, is daarom belangrijk voor het begrijpen van de thermodynamica.

Kinetische theorie biedt een manier om een ​​gas te modelleren, zodat statistische mechanica kan worden toegepast, wat uiteindelijk resulteert in het kunnen definiëren van een systeem via een reeks toestandsvariabelen.

Bedenk wat een gas is: een stel moleculen die allemaal vrij om elkaar heen kunnen bewegen. Om een ​​gas te begrijpen, is het logisch om naar de meest elementaire componenten ervan te kijken: de moleculen. Maar het is niet verrassend dat dit heel snel omslachtig wordt. Stel je bijvoorbeeld het enorme aantal moleculen voor in een glas vol lucht. Er is geen computer die krachtig genoeg is om de interacties van zoveel deeltjes met elkaar bij te houden.

In plaats daarvan kun je beginnen door het gas te modelleren als een verzameling deeltjes die allemaal een willekeurige beweging ondergaan om het algemene beeld te begrijpen in termen van gemiddelde kwadratische snelheden van de deeltjes, voor voorbeeld. Het wordt handig om te beginnen met spreken over de gemiddelde kinetische energie van de moleculen in plaats van de energie te identificeren die bij elk afzonderlijk deeltje hoort.

Deze grootheden leiden tot het vermogen om toestandsvariabelen te definiëren, dit zijn grootheden die de toestand van een systeem beschrijven. De belangrijkste toestandsvariabelen die hier worden besproken, zijn druk (de kracht per oppervlakte-eenheid), volume (de hoeveelheid ruimte die het gas inneemt) en temperatuur (wat een maat is voor de gemiddelde kinetische energie per molecuul). Door te bestuderen hoe deze toestandsvariabelen zich tot elkaar verhouden, kun je inzicht krijgen in thermodynamische processen op macroscopische schaal.

Een ideaal gas is een gas waarin de volgende aannames zijn gemaakt:

De moleculen kunnen worden behandeld als puntdeeltjes en nemen geen ruimte in beslag. (Hiervoor is hoge druk niet toegestaan, anders komen de moleculen zo dicht bij elkaar dat hun volumes relevant worden.)

Intermoleculaire krachten en interacties zijn verwaarloosbaar. (De temperatuur mag hiervoor niet te laag zijn. Bij een te lage temperatuur gaan de intermoleculaire krachten een relatief grotere rol spelen.)

De moleculen interageren met elkaar en de wanden van de container in perfect elastische botsingen. (Dit maakt de aanname van behoud van kinetische energie mogelijk.)

Zodra deze veronderstellingen zijn gemaakt, worden sommige relaties duidelijk. Hiertoe behoren de ideale gaswet, die in vergelijkingsvorm wordt uitgedrukt als:

WaarPis druk,Vis volume,Tis temperatuur,neeis het aantal mol,neeis het aantal moleculen,Ris de universele gasconstante,kis de Boltzmann-constante ennR = Nk​.

Nauw verwant aan de ideale gaswet is de wet van Charles, die stelt dat, voor constante druk, het volume en de temperatuur recht evenredig zijn, ofV/T= constant.

Een isobaar proces is een thermodynamisch proces dat plaatsvindt bij constante druk. In dit rijk is de wet van Charles van toepassing omdat de druk constant wordt gehouden.

De soorten processen die kunnen plaatsvinden wanneer de druk constant wordt gehouden, zijn onder meer isobare expansie, in welk volume neemt toe terwijl de temperatuur daalt, en isobare contractie, waarbij het volume afneemt terwijl de temperatuur neemt toe.

Als je ooit een magnetronmaaltijd hebt gekookt waarbij je een ventilatieopening in het plastic moet snijden voordat je het in de magnetron doet, komt dit door isobare uitzetting. In de magnetron is de druk binnen en buiten de met plastic omhulde maaltijdschaal altijd hetzelfde en altijd in evenwicht. Maar terwijl het voedsel kookt en opwarmt, zet de lucht in de bak uit als gevolg van de temperatuurstijging. Als er geen ontluchting beschikbaar is, kan het plastic uitzetten tot het punt waarop het barst.

Voor een snel thuis isobare compressie-experiment plaatst u een opgeblazen ballon in uw vriezer. Nogmaals, de druk binnen en buiten de ballon zal altijd in evenwicht zijn. Maar naarmate de lucht in de ballon afkoelt, krimpt deze als gevolg.

Als de container waarin het gas zich bevindt vrij kan uitzetten en krimpen, en de externe druk constant blijft, dan proces zal isobaar zijn omdat elk verschil in druk uitzetting of krimp zou veroorzaken totdat dat verschil is opgelost.

De eerste wet van de thermodynamica stelt dat de verandering in interne energieUvan een systeem gelijk is aan het verschil tussen de hoeveelheid warmte-energie die aan het systeem wordt toegevoegdVraagen netwerkwerk gedaan door het systeemW. In vergelijkingsvorm is dit:

Bedenk dat temperatuur de gemiddelde kinetische energie per molecuul was. De totale interne energie is dan de som van de kinetische energieën van alle moleculen (bij een ideaal gas worden potentiële energieën als verwaarloosbaar beschouwd). Vandaar dat de interne energie van het systeem recht evenredig is met de temperatuur. Omdat de ideale gaswet druk en volume relateert aan temperatuur, is de interne energie ook evenredig met het product van druk en volume.

Dus als warmte-energie aan het systeem wordt toegevoegd, neemt de temperatuur toe, net als de interne energie. Als het systeem wel inwerkt op het milieu, dan gaat die hoeveelheid energie verloren aan de omgeving en nemen de temperatuur en interne energie af.

Op een PV-diagram (grafiek van druk vs. volume), ziet een isobaar proces eruit als een horizontale lijngrafiek. Aangezien de hoeveelheid arbeid die tijdens een thermodynamisch proces wordt verricht gelijk is aan het gebied onder de PV-curve, is de arbeid in een isobaar proces eenvoudig:

Warmtemotoren zetten warmte-energie om in mechanische energie via een of andere complete cyclus. Dit vereist meestal dat een systeem op een bepaald moment tijdens de cyclus uitzet om werk te doen en energie te geven aan iets externs.

Beschouw een voorbeeld waarin een erlenmeyer via een plastic buis is aangesloten op een glazen injectiespuit. Binnen dit systeem is een vaste hoeveelheid lucht opgesloten. Als de zuiger van de spuit vrij kan schuiven en fungeert als een beweegbare zuiger, dan zal door de kolf in een warmtebad (een bak met heet water) te plaatsen, de lucht uitzetten en de zuiger optillen, wat werk doet.

Om de cyclus van een dergelijke warmtemotor te voltooien, zou de kolf in een koud bad moeten worden geplaatst, zodat de spuit weer in de begintoestand kan terugkeren. U kunt een extra stap toevoegen om de plunjer te gebruiken om een ​​massa op te tillen of een andere vorm van mechanisch werk te doen terwijl deze beweegt.

Andere processen die in andere artikelen in meer detail worden besproken, zijn onder meer:

​isothermischprocessen waarbij de temperatuur constant wordt gehouden. Bij constante temperatuur is de druk omgekeerd evenredig met het volume, en isotherme compressie resulteert in een toename van de druk, terwijl isotherme expansie resulteert in een afname van de druk.

in eenisochoorproces, wordt het volume van het gas constant gehouden (de container die het gas bevat, wordt stijf gehouden en kan niet uitzetten of krimpen). Hier is de druk dan recht evenredig met de temperatuur. Er kunnen geen werkzaamheden aan of door het systeem worden verricht omdat het volume niet verandert.

in eenadiabatischproces wordt er geen warmte uitgewisseld met de omgeving. In termen van de eerste wet van de thermodynamica betekent dit:Vraag= 0, dus elke verandering in interne energie komt direct overeen met werk dat op of door het systeem wordt gedaan.