Изобарические процессы: определение, формулы и примеры

Несколько идеализированных термодинамических процессов описывают, как состояния идеального газа могут претерпевать изменения. Изобарический процесс - лишь один из них.

Термодинамика - это изучение изменений, которые происходят в системах из-за передачи тепловой энергии (тепловой энергии). Каждый раз, когда две системы с разной температурой контактируют друг с другом, тепловая энергия передается от более горячей системы к более холодной.

На то, как происходит теплопередача, влияет множество различных переменных. Молекулярные свойства используемых материалов влияют на то, насколько быстро и легко тепловая энергия может переходить из одной системы в другую. Например, удельная теплоемкость (количество тепла, необходимое для поднятия единицы массы на 1 градус Цельсия) влияет на конечный результат. температуры.

Что касается газов, то при передаче тепловой энергии происходит еще много интересных явлений. Газы могут значительно расширяться и сжиматься, и то, как они это делают, зависит от контейнера, в котором они заключены, давления в системе и температуры. Поэтому понимание того, как работают газы, важно для понимания термодинамики.

Кинетическая теория предоставляет способ моделирования газа для применения статистической механики, что в конечном итоге приводит к возможности определять систему с помощью набора переменных состояния.

Рассмотрим, что такое газ: совокупность молекул, каждая из которых может свободно перемещаться друг вокруг друга. Чтобы понять газ, имеет смысл взглянуть на его самые основные компоненты - молекулы. Но неудивительно, что это очень быстро становится громоздким. Представьте себе огромное количество молекул, например, в стакане с воздухом. Нет компьютера, достаточно мощного, чтобы отслеживать взаимодействия такого количества частиц друг с другом.

Вместо этого, смоделировав газ как набор частиц, совершающих случайное движение, вы можете начать чтобы понять общую картину в терминах среднеквадратичных скоростей частиц, для пример. Становится удобным начать говорить о средней кинетической энергии молекул вместо определения энергии, связанной с каждой отдельной частицей.

Эти величины дают возможность определять переменные состояния, которые являются величинами, описывающими состояние системы. Основными переменными состояния, обсуждаемыми здесь, будут давление (сила на единицу площади), объем (величина пространства, которое занимает газ) и температуры (которая является мерой средней кинетической энергии на молекула). Изучая, как эти переменные состояния связаны друг с другом, вы можете получить представление о термодинамических процессах в макроскопическом масштабе.

Идеальный газ - это газ, в котором сделаны следующие допущения:

Молекулы можно рассматривать как точечные частицы, не занимающие места. (Для этого не допускается высокое давление, иначе молекулы станут достаточно близко друг к другу, чтобы их объемы стали релевантными.)

Межмолекулярные силы и взаимодействия незначительны. (Температура не может быть слишком низкой для этого. Когда температура слишком низкая, межмолекулярные силы начинают играть относительно большую роль.)

Молекулы взаимодействуют друг с другом и стенками контейнера в совершенно упругих столкновениях. (Это позволяет сделать предположение о сохранении кинетической энергии.)

Как только эти предположения сделаны, некоторые взаимосвязи становятся очевидными. Среди них - закон идеального газа, который выражается в форме уравнения как:

Гдепэто давление,Vобъем,Тэто температура,пэто количество родинок,Nэто количество молекул,р- универсальная газовая постоянная,k- постоянная Больцмана иnR = Nk​.

Тесно связан с законом идеального газа закон Чарльза, который гласит, что при постоянном давлении объем и температура прямо пропорциональны, илиВ / Т= константа.

Изобарный процесс - это термодинамический процесс, который происходит при постоянном давлении. В этой сфере действует закон Чарльза, поскольку давление остается постоянным.

Типы процессов, которые могут происходить, когда давление поддерживается постоянным, включают изобарическое расширение, при котором объем увеличивается при понижении температуры, и изобарическое сжатие, при котором объем уменьшается, а температура увеличивается.

Если вы когда-либо готовили еду в микроволновой печи, для которой необходимо вырезать вентиляционное отверстие в пластике перед тем, как положить ее в микроволновую печь, это связано с изобарическим расширением. Внутри микроволновой печи давление внутри и снаружи покрытого пластиком подноса для еды всегда одинаково и всегда находится в равновесии. Но по мере того, как пища готовится и нагревается, воздух внутри лотка расширяется из-за повышения температуры. Если вентиляция отсутствует, пластик может расшириться до точки, где он лопнет.

Для быстрого домашнего эксперимента по изобарическому сжатию поместите надутый баллон в морозильную камеру. Опять же, давление внутри и снаружи воздушного шара всегда будет в равновесии. Но по мере того, как воздух в воздушном шаре остывает, он в результате сжимается.

Если в каком бы сосуде ни находился газ, он может свободно расширяться и сжиматься, а внешнее давление остается постоянным, тогда любой процесс будет изобарическим, потому что любая разница в давлении вызовет расширение или сжатие, пока эта разница не станет решено.

Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергииUсистемы равна разнице между количеством тепловой энергии, добавленной к системеQи чистая работа, выполненная системойW. В форме уравнения это:

Напомним, что температура была средней кинетической энергией на молекулу. Полная внутренняя энергия тогда является суммой кинетических энергий всех молекул (в идеальном газе потенциальные энергии считаются незначительными). Следовательно, внутренняя энергия системы прямо пропорциональна температуре. Поскольку закон идеального газа связывает давление и объем с температурой, внутренняя энергия также пропорциональна произведению давления и объема.

Таким образом, если в систему добавляется тепловая энергия, температура увеличивается, как и внутренняя энергия. Если система действительно воздействует на окружающую среду, то это количество энергии теряется в окружающей среде, а температура и внутренняя энергия уменьшаются.

На PV-диаграмме (график зависимости давления от объем) изобарический процесс выглядит как горизонтальный линейный график. Поскольку объем работы, выполняемой во время термодинамического процесса, равен площади под кривой PV, работа, выполняемая в изобарическом процессе, просто:

Тепловые двигатели преобразуют тепловую энергию в механическую посредством определенного полного цикла. Обычно для этого требуется, чтобы в какой-то момент цикла система расширялась, чтобы выполнять работу и передавать энергию чему-то внешнему.

Рассмотрим пример, в котором колба Эрленмейера соединена пластиковой трубкой со стеклянным шприцем. Внутри этой системы находится фиксированное количество воздуха. Если поршень шприца может свободно скользить, действуя как подвижный поршень, то, поместив колбу в тепловую ванну (ванну с горячей водой), воздух расширится и поднимет поршень, выполняя работу.

Чтобы завершить цикл такого теплового двигателя, колбу необходимо поместить в холодную ванну, чтобы шприц мог снова вернуться в исходное состояние. Вы можете добавить дополнительный шаг, когда плунжер будет использоваться для подъема груза или выполнения какой-либо другой механической работы во время его движения.

Другие процессы, более подробно обсуждаемые в других статьях, включают:

​Изотермическийпроцессы, в которых температура поддерживается постоянной. При постоянной температуре давление обратно пропорционально объему, и изотермическое сжатие приводит к увеличению давления, а изотермическое расширение приводит к снижению давления.

ВизохорныйВо время процесса объем газа поддерживается постоянным (емкость с газом остается жесткой и не может расширяться или сжиматься). Здесь давление прямо пропорционально температуре. Никакая работа не может выполняться с системой или с ее помощью, поскольку громкость не меняется.

Вадиабатическийпроцесс, тепло не обменивается с окружающей средой. С точки зрения первого закона термодинамики это означаетQ= 0, следовательно, любое изменение внутренней энергии напрямую соответствует работе, выполняемой системой или системой.