Procese izobarice: definiție, formulă și exemple

Mai multe procese termodinamice idealizate descriu modul în care stările unui gaz ideal pot suferi modificări. Procesul izobaric este doar unul dintre acestea.

Termodinamica este studiul modificărilor care apar în sisteme datorită transferului de energie termică (energie termică). De fiecare dată când două sisteme cu temperatură diferită sunt în contact unul cu celălalt, energia termică se va transfera de la sistemul mai fierbinte la sistemul de răcire.

Multe variabile diferite afectează modul în care are loc acest transfer de căldură. Proprietățile moleculare ale materialelor implicate afectează cât de repede și ușor se poate deplasa energia termică de la un sistem la altul, pentru de exemplu, iar capacitatea de căldură specifică (cantitatea de căldură necesară pentru creșterea unei unități de masă cu 1 grad Celsius) afectează rezultatul final temperaturile.

Când vine vorba de gaze, mai multe fenomene interesante apar atunci când energia termică este transferată. Gazele sunt capabile să se extindă și să se contracte în mod semnificativ, iar modul în care fac acest lucru depinde de containerul în care sunt închise, de presiunea sistemului și de temperatură. Prin urmare, înțelegerea modului în care funcționează gazele este importantă în înțelegerea termodinamicii.

Teoria cinetică oferă o modalitate de modelare a unui gaz, astfel încât mecanica statistică să poată fi aplicată, rezultând în cele din urmă să poată defini un sistem printr-un set de variabile de stare.

Luați în considerare ce este un gaz: o grămadă de molecule capabile să se miște liber una în jurul celeilalte. Pentru a înțelege un gaz, este logic să ne uităm la componentele sale de bază - moleculele. Dar nu este surprinzător că acest lucru devine greoi foarte repede. Imaginați-vă numărul de molecule dintr-un pahar plin de aer, de exemplu. Nu există un computer suficient de puternic pentru a ține evidența interacțiunilor dintre atâtea particule între ele.

În schimb, prin modelarea gazului ca o colecție de particule, toate supuse mișcării aleatorii, puteți începe pentru a înțelege imaginea generală în termeni de viteză pătrată medie a rădăcinii particulelor, pentru exemplu. Devine convenabil să începeți să vorbiți despre energia cinetică medie a moleculelor în loc să identificați energia asociată cu fiecare particulă individuală.

Aceste cantități conduc la capacitatea de a defini variabilele de stare, care sunt cantități care descriu starea unui sistem. Principalele variabile de stare discutate aici vor fi presiunea (forța pe unitate de suprafață), volumul (cantitatea de spațiu pe care gazul îl preia) și temperatura (care este o măsură a energiei cinetice medii pe moleculă). Studiind modul în care aceste variabile de stare se raportează între ele, puteți obține o înțelegere a proceselor termodinamice la scară macroscopică.

Un gaz ideal este un gaz în care se fac următoarele ipoteze:

Moleculele pot fi tratate ca particule punctiforme, fără a ocupa spațiu. (Pentru ca acesta să fie cazul, presiunea ridicată nu este permisă, sau moleculele vor deveni suficient de apropiate între ele încât volumele lor să devină relevante.)

Forțele și interacțiunile intermoleculare sunt neglijabile. (Temperatura nu poate fi prea scăzută pentru ca acesta să fie cazul. Când temperatura este prea scăzută, forțele intermoleculare încep să joace un rol relativ mai mare.)

Moleculele interacționează între ele și pereții containerului în coliziuni perfect elastice. (Aceasta permite asumarea conservării energiei cinetice.)

Odată ce aceste presupuneri sunt făcute, unele relații devin evidente. Printre acestea se numără legea ideală a gazelor, care este exprimată în formă de ecuație ca:

UndePeste presiune,Veste volum,Teste temperatura,neste numărul de alunițe,Neste numărul de molecule,Reste constanta gazului universal,keste constanta Boltzmann șinR = Nk​.

Legătura strânsă cu legea ideală a gazelor este legea lui Charles, care afirmă că, pentru o presiune constantă, volumul și temperatura sunt direct proporționale sauV / T= constant.

Un proces izobaric este un proces termodinamic care are loc la presiune constantă. În acest domeniu, legea lui Charles se aplică, deoarece presiunea este menținută constantă.

Tipurile de procese care se pot întâmpla atunci când presiunea este menținută constantă includ expansiunea izobarică, în care volum crește în timp ce temperatura scade și contracția izobarică, în care volumul scade în timp ce temperatura crește.

Dacă ați gătit vreodată o masă cu microunde care vă cere să tăiați o gură de aerisire în plastic înainte de ao pune în cuptorul cu microunde, aceasta se datorează expansiunii izobarice. În interiorul cuptorului cu microunde, presiunea în interiorul și în exteriorul tăvii de masă acoperite cu plastic este întotdeauna aceeași și întotdeauna în echilibru. Dar pe măsură ce alimentele se gătesc și se încălzesc, aerul din tavă se extinde ca urmare a creșterii temperaturii. Dacă nu este disponibilă o gură de aerisire, plasticul se poate extinde până la punctul în care sparge.

Pentru un experiment rapid de comprimare izobarică la domiciliu, puneți un balon umflat în congelator. Din nou, presiunea în interiorul și în exteriorul balonului va fi întotdeauna în echilibru. Dar pe măsură ce aerul din balon se răcește, se va micșora ca urmare.

Dacă orice recipient din gaz este liber să se extindă și să se contracte, iar presiunea externă rămâne constantă, atunci oricare procesul va fi izobaric, deoarece orice diferență de presiune ar cauza expansiune sau contracție până când diferența este rezolvat.

Prima lege a termodinamicii afirmă că schimbarea energiei interneUunui sistem este egal cu diferența dintre cantitatea de energie termică adăugată sistemuluiÎși munca netă realizată de sistemW. În formă de ecuație, acesta este:

Amintiți-vă că temperatura a fost energia cinetică medie pe moleculă. Energia internă totală este apoi suma energiilor cinetice ale tuturor moleculelor (cu un gaz ideal, energiile potențiale sunt considerate neglijabile). Prin urmare, energia internă a sistemului este direct proporțională cu temperatura. Deoarece legea ideală a gazelor leagă presiunea și volumul de temperatură, energia internă este, de asemenea, proporțională cu produsul de presiune și volum.

Deci, dacă se adaugă energie termică la sistem, temperatura crește la fel ca și energia internă. Dacă sistemul funcționează asupra mediului, atunci acea cantitate de energie se pierde în mediu și temperatura și energia internă scad.

Pe o diagramă PV (graficul presiunii vs. volum), un proces izobaric arată ca un grafic liniar orizontal. Deoarece cantitatea de muncă efectuată în timpul unui proces termodinamic este egală cu aria de sub curba PV, munca efectuată într-un proces izobaric este pur și simplu:

Motoarele termice transformă energia termică în energie mecanică printr-un ciclu complet de un fel. Acest lucru necesită în mod obișnuit ca un sistem să se extindă la un moment dat în timpul ciclului pentru a lucra și pentru a transmite energie ceva extern.

Luați în considerare un exemplu în care un balon Erlenmeyer este conectat printr-un tub de plastic la o seringă de sticlă. În acest sistem este limitată o cantitate fixă ​​de aer. Dacă pistonul seringii este liber să alunece, acționând ca un piston mobil, atunci prin plasarea balonului într-o baie de căldură (o cadă cu apă fierbinte), aerul se va extinde și va ridica pistonul, lucrând.

Pentru a finaliza ciclul unui astfel de motor termic, balonul ar trebui plasat într-o baie rece, astfel încât seringa să poată reveni din nou la starea de pornire. Puteți adăuga un pas suplimentar de a folosi pistonul pentru a ridica o masă sau pentru a face o altă formă de lucru mecanic pe măsură ce se mișcă.

Alte procese discutate mai detaliat în alte articole includ:

​Izotermăprocese, în care temperatura este menținută constantă. La temperatură constantă, presiunea este invers proporțională cu volumul, iar compresia izotermă are ca rezultat o creștere a presiunii, în timp ce expansiunea izotermă are ca rezultat o scădere a presiunii.

Într-unizocoricproces, volumul gazului este menținut constant (containerul care ține gazul este ținut rigid și nu poate extinde sau contracta). Aici presiunea este apoi direct proporțională cu temperatura. Nici o lucrare nu poate fi efectuată pe sau de către sistem, deoarece volumul nu se modifică.

Într-unadiabaticproces, nu se schimbă căldură cu mediul. În ceea ce privește prima lege a termodinamicii, aceasta înseamnăÎ= 0, prin urmare, orice modificare a energiei interne corespunde în mod direct lucrului efectuat pe sau de către sistem.