Procesy izobaryczne: definicja, wzór i przykłady

Kilka wyidealizowanych procesów termodynamicznych opisuje zmiany stanów gazu doskonałego. Proces izobaryczny jest tylko jednym z nich.

Termodynamika to nauka o zmianach zachodzących w układach w wyniku transferu energii cieplnej (energii cieplnej). Za każdym razem, gdy stykają się ze sobą dwa systemy o różnej temperaturze, energia cieplna będzie przenoszona z systemu cieplejszego do systemu chłodniejszego.

Wiele różnych zmiennych wpływa na to, jak zachodzi ta wymiana ciepła. Właściwości molekularne zaangażowanych materiałów wpływają na to, jak szybko i łatwo energia cieplna jest w stanie przenosić się z jednego systemu do drugiego, na przykład przykład, a właściwa pojemność cieplna (ilość ciepła wymagana do podniesienia masy jednostkowej o 1 stopień Celsjusza) wpływa na wynik końcowy temperatury.

Jeśli chodzi o gazy, wiele ciekawszych zjawisk zachodzi przy przekazywaniu energii cieplnej. Gazy mogą znacznie się rozszerzać i kurczyć, a sposób, w jaki to robią, zależy od pojemnika, w którym są zamknięte, ciśnienia w układzie i temperatury. Zrozumienie działania gazów jest zatem ważne dla zrozumienia termodynamiki.

Teoria kinetyczna zapewnia sposób modelowania gazu, dzięki czemu można zastosować mechanikę statystyczną, co ostatecznie skutkuje możliwością zdefiniowania systemu za pomocą zestawu zmiennych stanu.

Zastanów się, czym jest gaz: grupa cząsteczek, które mogą swobodnie poruszać się wokół siebie. Aby zrozumieć gaz, warto przyjrzeć się jego najbardziej podstawowym składnikom – cząsteczkom. Ale nic dziwnego, że bardzo szybko staje się to kłopotliwe. Wyobraź sobie na przykład samą liczbę cząsteczek w szklance wypełnionej powietrzem. Nie ma komputera wystarczająco potężnego, aby śledzić wzajemne oddziaływania tak wielu cząstek.

Zamiast tego, modelując gaz jako zbiór cząstek, które podlegają losowemu ruchowi, możesz zacząć aby zrozumieć ogólny obraz w kategoriach średniej kwadratowej prędkości cząstek, dla przykład. Wygodnie jest zacząć mówić o średniej energii kinetycznej cząsteczek zamiast identyfikować energię związaną z każdą pojedynczą cząsteczką.

Te wielkości prowadzą do możliwości definiowania zmiennych stanu, które są wielkościami opisującymi stan systemu. Głównymi zmiennymi stanu omawianymi tutaj będą ciśnienie (siła na jednostkę powierzchni), objętość (ilość przestrzeni jaką zajmuje gaz) i temperatury (która jest miarą średniej energii kinetycznej na cząsteczka). Badając, jak te zmienne stanu są ze sobą powiązane, można zrozumieć procesy termodynamiczne w skali makroskopowej.

Gaz doskonały to gaz, w którym przyjmuje się następujące założenia:

Cząsteczki można traktować jak cząstki punktowe, nie zajmując miejsca. (Aby tak było, wysokie ciśnienie nie jest dozwolone, w przeciwnym razie cząsteczki zbliżą się do siebie wystarczająco, aby ich objętości stały się istotne).

Siły i oddziaływania międzycząsteczkowe są pomijalne. (Temperatura nie może być zbyt niska, aby tak było. Gdy temperatura jest zbyt niska, siły międzycząsteczkowe zaczynają odgrywać stosunkowo większą rolę.)

Cząsteczki oddziałują ze sobą i ścianami pojemnika w idealnie sprężystych zderzeniach. (Pozwala to na założenie zachowania energii kinetycznej.)

Kiedy te założenia zostaną przyjęte, pewne relacje stają się widoczne. Wśród nich jest prawo gazu doskonałego, które wyraża się w postaci równania jako:

GdziePjest presja,Vto objętość,Tjest temperatura,nieto liczba moli,Nto liczba cząsteczek,Rjest uniwersalną stałą gazową,kjest stałą Boltzmanna inR = Nk​.

Ściśle związane z prawem gazu doskonałego jest prawo Charlesa, które mówi, że dla stałego ciśnienia objętość i temperatura są wprost proporcjonalne, lubV/T= stała.

Proces izobaryczny to proces termodynamiczny, który zachodzi pod stałym ciśnieniem. W tej dziedzinie obowiązuje prawo Karola, ponieważ presja jest utrzymywana na stałym poziomie.

Rodzaje procesów, które mogą zachodzić, gdy ciśnienie jest utrzymywane na stałym poziomie, obejmują ekspansję izobaryczną, w której objętość wzrasta wraz ze spadkiem temperatury i skurczem izobarycznym, w którym objętość maleje wraz ze spadkiem temperatury wzrasta.

Jeśli kiedykolwiek ugotowałeś posiłek w kuchence mikrofalowej, który wymagał wycięcia otworu wentylacyjnego w plastiku przed włożeniem go do kuchenki mikrofalowej, dzieje się tak z powodu ekspansji izobarycznej. Wewnątrz kuchenki mikrofalowej ciśnienie wewnątrz i na zewnątrz pokrytej plastikiem tacy na posiłki jest zawsze takie samo i zawsze w równowadze. Ale gdy jedzenie się gotuje i nagrzewa, powietrze wewnątrz tacki rozszerza się w wyniku wzrostu temperatury. Jeśli nie jest dostępny żaden otwór wentylacyjny, plastik może rozszerzyć się do punktu, w którym pęknie.

Aby przeprowadzić szybki eksperyment z kompresją izobaryczną w domu, włóż napompowany balon do zamrażarki. Ponownie, ciśnienie wewnątrz i na zewnątrz balonu zawsze będzie w równowadze. Ale gdy powietrze w balonie ochładza się, w rezultacie kurczy się.

Jeśli jakikolwiek pojemnik, w którym znajduje się gaz, może swobodnie rozszerzać się i kurczyć, a ciśnienie zewnętrzne pozostaje stałe, to każdy proces będzie izobaryczny, ponieważ jakakolwiek różnica ciśnień spowodowałaby rozszerzanie się lub kurczenie, dopóki ta różnica nie będzie zdecydowany.

Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że zmiana energii wewnętrznejUsystemu jest równa różnicy pomiędzy ilością energii cieplnej dodanej do systemuQi praca netto wykonana przez systemW. W postaci równania jest to:

Przypomnijmy, że temperatura była średnią energią kinetyczną na cząsteczkę. Całkowita energia wewnętrzna jest więc sumą energii kinetycznych wszystkich cząsteczek (w przypadku gazu doskonałego energie potencjalne są uważane za pomijalne). Stąd energia wewnętrzna układu jest wprost proporcjonalna do temperatury. Ponieważ równanie gazu doskonałego wiąże ciśnienie i objętość z temperaturą, energia wewnętrzna jest również proporcjonalna do iloczynu ciśnienia i objętości.

Jeśli więc do systemu zostanie dodana energia cieplna, temperatura wzrośnie, podobnie jak energia wewnętrzna. Jeśli system działa na środowisko, to ta ilość energii jest tracona na środowisko, a temperatura i energia wewnętrzna spada.

Na wykresie PV (wykres ciśnienia w funkcji objętość), proces izobaryczny wygląda jak poziomy wykres liniowy. Ponieważ ilość pracy wykonanej podczas procesu termodynamicznego jest równa powierzchni pod krzywą PV, praca wykonana w procesie izobarycznym to po prostu:

Silniki cieplne przekształcają energię cieplną w energię mechaniczną w pełnym cyklu pewnego rodzaju. Zwykle wymaga to, aby system rozszerzył się w pewnym momencie cyklu, aby wykonać pracę i przekazać energię czemuś zewnętrznemu.

Rozważmy przykład, w którym kolba Erlenmeyera jest połączona plastikową rurką ze szklaną strzykawką. W tym systemie zamknięta jest stała ilość powietrza. Jeśli tłok strzykawki może się swobodnie przesuwać, działając jak ruchomy tłok, to po umieszczeniu kolby w łaźni grzewczej (wannie z gorącą wodą) powietrze rozszerzy się i uniesie tłok, wykonując pracę.

Aby zakończyć cykl takiego silnika cieplnego, kolbę należałoby umieścić w zimnej kąpieli, aby strzykawka mogła powrócić do stanu wyjściowego. Możesz dodać dodatkowy krok polegający na użyciu tłoka do podnoszenia ciężaru lub wykonywania innej pracy mechanicznej podczas ruchu.

Inne procesy omówione bardziej szczegółowo w innych artykułach obejmują:

​Izotermicznyprocesy, w których temperatura jest utrzymywana na stałym poziomie. W stałej temperaturze ciśnienie jest odwrotnie proporcjonalne do objętości, a sprężanie izotermiczne powoduje wzrost ciśnienia, podczas gdy rozszerzanie izotermiczne powoduje spadek ciśnienia.

W ciąguizochorycznyproces, objętość gazu jest utrzymywana na stałym poziomie (pojemnik zawierający gaz jest utrzymywany sztywno i nie może się rozszerzać ani kurczyć). Tutaj ciśnienie jest wtedy wprost proporcjonalne do temperatury. Żadna praca nie może być wykonywana w systemie ani przez system, ponieważ głośność się nie zmienia.

W ciąguadiabatycznyproces, ciepło nie jest wymieniane z otoczeniem. W ujęciu I zasady termodynamiki oznacza to:Q= 0, stąd każda zmiana energii wewnętrznej bezpośrednio odpowiada pracy wykonywanej w systemie lub przez system.