Isobariske prosesser: definisjon, formel og eksempler

Flere idealiserte termodynamiske prosesser beskriver hvordan tilstander til en ideell gass kan gjennomgå forandring. Den isobariske prosessen er bare en av disse.

Termodynamikk er studiet av endringer som oppstår i systemer på grunn av overføring av termisk energi (varmeenergi). Hver gang to systemer med forskjellig temperatur er i kontakt med hverandre, vil varmeenergi overføres fra det varmere systemet til det kjøligere systemet.

Mange forskjellige variabler påvirker hvordan denne varmeoverføringen skjer. De molekylære egenskapene til de involverte materialene påvirker hvor raskt og enkelt varmeenergi er i stand til å bevege seg fra ett system til et annet, for eksempel, og den spesifikke varmekapasiteten (mengden varme som kreves for å øke en enhetsmasse med 1 grad Celsius) påvirker den resulterende endelige temperaturer.

Når det gjelder gasser, oppstår mange flere interessante fenomener når varmeenergi overføres. Gasser er i stand til å utvide seg og trekke seg betydelig sammen, og hvordan de gjør det, avhenger av beholderen de er innelukket i, trykket i systemet og temperaturen. Å forstå hvordan gasser fungerer er derfor viktig for å forstå termodynamikk.

Kinetisk teori gir en måte å modellere en gass på slik at statistisk mekanikk kan brukes, noe som til slutt resulterer i å kunne definere et system via et sett med tilstandsvariabler.

Tenk på hva en gass er: en haug med molekyler som alle kan bevege seg fritt rundt hverandre. For å forstå en gass, er det fornuftig å se på de mest grunnleggende komponentene - molekylene. Men ikke overraskende blir dette tungvint veldig raskt. Tenk deg det store antallet molekyler i bare et glass fullt av luft, for eksempel. Det er ikke en datamaskin som er kraftig nok til å holde rede på samspillet mellom så mange partikler med hverandre.

I stedet ved å modellere gassen som en samling partikler som alle gjennomgår tilfeldig bevegelse, kan du begynne å forstå helhetsbildet i form av rotmidlere kvadratiske hastigheter på partiklene, for eksempel. Det blir praktisk å begynne å snakke om den gjennomsnittlige kinetiske energien til molekylene i stedet for å identifisere energien assosiert med hver enkelt partikkel.

Disse størrelsene fører til muligheten til å definere tilstandsvariabler, som er størrelser som beskriver tilstanden til et system. Hovedtilstandsvariablene som diskuteres her vil være trykk (kraften per arealeenhet), volum (mengden av plass gassen tar opp) og temperatur (som er et mål på gjennomsnittlig kinetisk energi pr molekyl). Ved å studere hvordan disse tilstandsvariablene forholder seg til hverandre, kan du få en forståelse av termodynamiske prosesser i makroskopisk skala.

En ideell gass er en gass der følgende antagelser blir gjort:

Molekylene kan behandles som punktpartikler, og tar ingen plass. (For at dette skal være tilfelle, er ikke høyt trykk tillatt, ellers vil molekylene bli tett nok sammen til at volumene deres blir relevante.)

Intermolekylære krefter og interaksjoner er ubetydelige. (Temperaturen kan ikke være for lav til at dette kan være tilfelle. Når temperaturen er for lav, begynner de intermolekylære kreftene å spille en relativt større rolle.)

Molekylene samhandler med hverandre og beholderens vegger i perfekt elastiske kollisjoner. (Dette muliggjør antagelse om bevaring av kinetisk energi.)

Når disse antagelsene er kommet, blir noen forhold tydelige. Blant disse er den ideelle gassloven, som uttrykkes i ligningsform som:

HvorPer press,Ver volum,Ter temperatur,ner antall føflekker,Ner antall molekyler,Rer den universelle gasskonstanten,ker Boltzmann konstant ognR = Nk​.

Nært knyttet til den ideelle gassloven er Charles 'lov, som sier at for konstant trykk er volumet og temperaturen direkte proporsjonal, ellerV / T= konstant.

En isobarisk prosess er en termodynamisk prosess som skjer ved konstant trykk. På dette området gjelder Charles ’lov siden press holdes konstant.

De typer prosesser som kan skje når trykket holdes konstant inkluderer isobar ekspansjon, i hvilket volum øker mens temperaturen synker, og isobarisk sammentrekning, der volumet synker mens temperaturen øker.

Hvis du noen gang har tilberedt et mikrobølgemåltid som krever at du kutter en ventilasjon i plasten før du legger den i mikrobølgeovnen, er dette på grunn av isobar ekspansjon. Inne i mikrobølgeovnen er trykket i og utenfor det plastbelagte måltidet alltid det samme og alltid i likevekt. Men når maten koker og varmes opp, utvides luften inne i brettet som følge av temperaturøkningen. Hvis ingen ventilasjon er tilgjengelig, kan plasten utvide seg til det punktet der den sprekker.

For et raskt isobarisk komprimeringseksperiment hjemme, legg en oppblåst ballong i fryseren. Igjen vil trykket i og utenfor ballongen alltid være i likevekt. Men når luften i ballongen avkjøles, vil den krympe som et resultat.

Hvis uansett hvilken beholder gassen er i kan ekspandere og trekke seg sammen, og det ytre trykket forblir konstant, så er det noe prosessen vil være isobar fordi enhver forskjell i trykk vil føre til utvidelse eller sammentrekning til denne forskjellen er løst.

Den første loven om termodynamikk sier at endringen i indre energiUav et system er lik forskjellen mellom mengden varmeenergi som tilføres systemetSpørsmålog netto arbeid utført av systemetW. I ligningsform er dette:

Husk at temperaturen var den gjennomsnittlige kinetiske energien per molekyl. Den totale indre energien er da summen av de kinetiske energiene til alle molekylene (med en ideell gass anses potensielle energier som ubetydelige). Derfor er indre energi i systemet direkte proporsjonal med temperaturen. Fordi den ideelle gassloven relaterer trykk og volum til temperatur, er den indre energien også proporsjonal med produktet av trykk og volum.

Så hvis det tilføres varmeenergi til systemet, øker temperaturen i likhet med den indre energien. Hvis systemet fungerer på miljøet, går den energimengden tapt for miljøet, og temperaturen og den indre energien reduseres.

På et PV-diagram (graf over trykk vs. volum), en isobar prosess ser ut som en horisontal linjediagram. Siden arbeidsmengden som er utført under en termodynamisk prosess er lik arealet under PV-kurven, er arbeidet utført i en isobar prosess ganske enkelt:

Varmemotorer konverterer varmeenergi til mekanisk energi via en komplett syklus av noe slag. Dette krever vanligvis at et system utvides på et eller annet tidspunkt i løpet av syklusen for å utføre arbeid og gi energi til noe eksternt.

Tenk på et eksempel der en Erlenmeyer-kolbe er koblet via plastrør til en glassprøyte. Begrenset i dette systemet er en fast mengde luft. Hvis sprøytestemplet er fritt til å gli, og fungerer som et bevegelig stempel, vil luften utvide seg og løfte stempelet ved å plassere kolben i et varmebad (et kar med varmt vann).

For å fullføre syklusen til en slik varmemotor, må kolben plasseres i et kaldt bad, slik at sprøyten kan gå tilbake til starttilstanden igjen. Du kan legge til et ekstra trinn for å få stemplet til å løfte en masse eller gjøre en annen form for mekanisk arbeid når den beveger seg.

Andre prosesser diskutert mer detaljert i andre artikler inkluderer:

​Isotermiskprosesser, der temperaturen holdes konstant. Ved konstant temperatur er trykket omvendt proporsjonalt med volumet, og isoterm kompresjon resulterer i en økning i trykk mens isotermisk ekspansjon resulterer i en reduksjon i trykk.

I enisokoriskprosess holdes gassvolumet konstant (beholderen som holder gassen holdes stiv og ikke i stand til å ekspandere eller trekke seg sammen). Her er trykket da direkte proporsjonalt med temperaturen. Ingen arbeid kan gjøres på eller av systemet siden volumet ikke endres.

I enadiabatiskprosessen byttes ingen varme ut med miljøet. Når det gjelder termodynamikkens første lov, betyr detteSpørsmål= 0, derfor tilsvarer enhver endring i intern energi direkte arbeid som gjøres på eller av systemet.