Izobarické procesy: definícia, vzorec a príklady

Niekoľko idealizovaných termodynamických procesov popisuje, ako môžu stavy ideálneho plynu prechádzať zmenami. Izobarický proces je len jedným z nich.

Termodynamika je štúdium zmien, ku ktorým dochádza v systémoch v dôsledku prenosu tepelnej energie (tepelnej energie). Kedykoľvek sú dva systémy rozdielnej teploty v kontakte, tepelná energia sa bude prenášať z teplejšieho systému do chladnejšieho systému.

Na tento prenos tepla má vplyv veľa rôznych premenných. Molekulárne vlastnosti použitých materiálov ovplyvňujú, ako rýchlo a ľahko je tepelná energia schopná napríklad prechádzať z jedného systému do druhého napríklad a špecifická tepelná kapacita (množstvo tepla potrebné na zvýšenie jednotkovej hmotnosti o 1 stupeň Celzia) ovplyvňuje výsledný konečný teploty.

Pokiaľ ide o plyny, pri prenose tepelnej energie nastáva oveľa viac zaujímavých javov. Plyny sa môžu výrazne rozpínať a sťahovať, a to, ako to robia, závisí od nádoby, v ktorej sú uzavreté, tlaku systému a teploty. Pochopenie fungovania plynov je preto dôležité pri porozumení termodynamiky.

Kinetická teória poskytuje spôsob modelovania plynu tak, aby bolo možné aplikovať štatistickú mechaniku, čo nakoniec vyústi do možnosti definovať systém pomocou množiny stavových premenných.

Zvážte, čo je to plyn: kopa molekúl, ktoré sa dokážu navzájom voľne pohybovať. Aby sme pochopili plyn, má zmysel pozrieť sa na jeho najzákladnejšie zložky - molekuly. Nie je však prekvapením, že sa to stáva veľmi rýchlo ťažkopádnym. Predstavte si napríklad obrovský počet molekúl iba v pohári plnom vzduchu. Neexistuje počítač, ktorý by bol dostatočne výkonný na to, aby dokázal sledovať vzájomné pôsobenie toľkých častíc.

Namiesto toho môžete začať modelovaním plynu ako súboru častíc, ktoré všetky prechádzajú náhodným pohybom pochopiť celkový obraz z hľadiska strednej strednej mocniny rýchlostí častíc, pretože príklad. Stáva sa pohodlným začať hovoriť o priemernej kinetickej energii molekúl namiesto identifikácie energie spojenej s každou jednotlivou časticou.

Tieto veličiny vedú k schopnosti definovať stavové premenné, čo sú veličiny, ktoré popisujú stav systému. Hlavné premenné stavu, o ktorých sa tu bude diskutovať, budú tlak (sila na jednotku plochy), objem (množstvo priestoru, ktorý plyn zaberá) a teplotu (čo je miera priemernej kinetickej energie na molekula). Štúdiom vzájomného vzťahu týchto stavových premenných môžete porozumieť termodynamickým procesom v makroskopickom meradle.

Ideálnym plynom je plyn, v ktorom sú stanovené nasledujúce predpoklady:

S molekulami sa dá zaobchádzať ako s bodovými časticami, pričom nezaberajú žiadny priestor. (V tomto prípade nie je povolený vysoký tlak, alebo sa molekuly navzájom priblížia natoľko, že ich objemy budú relevantné.)

Medzimolekulové sily a interakcie sú zanedbateľné. (Teplota nemôže byť príliš nízka, aby to tak bolo. Ak je teplota príliš nízka, medzimolekulové sily začnú hrať relatívne väčšiu úlohu.)

Molekuly interagujú navzájom a stenami nádoby v dokonale elastických zrážkach. (To umožňuje predpoklad zachovania kinetickej energie.)

Po vytvorení týchto predpokladov sa ukážu niektoré vzťahy. Medzi nimi je zákon ideálneho plynu, ktorý je vyjadrený vo forme rovnice ako:

KdePje tlak,V.je objem,Tje teplota,nje počet mólov,Nje počet molekúl,Rje univerzálna plynová konštanta,kje Boltzmannova konštanta anR = Nk​.

S zákonom o ideálnom plyne úzko súvisí Charlesov zákon, ktorý hovorí, že pri konštantnom tlaku sú objem a teplota priamo úmerné, príp.V / T= konštantná.

Izobarický proces je termodynamický proces, ktorý sa vyskytuje pri konštantnom tlaku. V tejto oblasti sa uplatňuje Charlesov zákon, pretože tlak sa nemení.

Medzi typy procesov, ktoré môžu nastať, keď je tlak udržiavaný konštantný, patrí izobarická expanzia, v ktorej je objem zvyšuje pri znižovaní teploty a izobarickej kontrakcii, pri ktorej klesá objem pri zvyšovaní teploty zvyšuje.

Ak ste niekedy pripravovali jedlo v mikrovlnnej rúre, ktoré vyžaduje, aby ste pred vložením do mikrovlnnej rúry vyrezali prieduch v plastu, je to kvôli izobarickej expanzii. Vo vnútri mikrovlnnej rúry je tlak vo vnútri aj mimo plastovej misky na jedlo vždy rovnaký a vždy v rovnováhe. Ale ako sa jedlo varí a ohrieva, vzduch vo vnútri plechu sa rozširuje v dôsledku zvýšenia teploty. Ak nie je k dispozícii žiadny prieduch, plast by sa mohol roztiahnuť až do prasknutia.

Ak chcete vykonať rýchly experiment s izobarickou kompresiou doma, vložte nafúknutý balón do mrazničky. Tlak vo vnútri aj mimo balónu bude opäť vždy v rovnováhe. Ale keď sa vzduch v balóne ochladí, v dôsledku toho sa zmenší.

Ak je v ktorejkoľvek nádobe plyn, ktorý sa môže voľne rozpínať a sťahovať, a vonkajší tlak zostáva konštantný, potom akýkoľvek proces bude izobarický, pretože akýkoľvek rozdiel v tlakoch by spôsoboval expanziu alebo kontrakciu, kým tento rozdiel nebude vyriešený.

Prvý zákon termodynamiky hovorí, že zmena vnútornej energieUsystému sa rovná rozdielu medzi množstvom tepelnej energie pridanej do systémuQa čistú prácu vykonanú systémomŽ. Vo forme rovnice to je:

Pripomeňme si, že teplota bola priemerná kinetická energia na molekulu. Celková vnútorná energia je potom súčtom kinetických energií všetkých molekúl (pri ideálnom plyne sa potenciálne energie považujú za zanedbateľné). Preto je vnútorná energia systému priamo úmerná teplote. Pretože zákon ideálneho plynu súvisí s tlakom a objemom s teplotou, je vnútorná energia tiež úmerná súčinu tlaku a objemu.

Takže ak sa do systému pridá tepelná energia, teplota sa zvýši rovnako ako vnútorná energia. Ak systém pracuje na životnom prostredí, potom sa toto množstvo energie stratí pre životné prostredie a teplota a vnútorná energia sa znižujú.

Na FV diagrame (graf tlaku vs. objem), izobarický proces vyzerá ako vodorovný spojnicový graf. Pretože množstvo práce vykonanej počas termodynamického procesu sa rovná ploche pod PV krivkou, práca vykonaná v izobarickom procese je jednoducho:

Tepelné motory premieňajú tepelnú energiu na mechanickú prostredníctvom kompletného cyklu nejakého druhu. To zvyčajne vyžaduje, aby sa systém v určitom okamihu cyklu rozšíril, aby mohol pracovať a dodávať energiu niečomu vonkajšiemu.

Zvážte príklad, v ktorom je Erlenmeyerova banka spojená pomocou plastových hadičiek so sklenenou injekčnou striekačkou. V tomto systéme je obmedzené pevné množstvo vzduchu. Ak sa piest injekčnej striekačky môže voľne posúvať a pôsobí ako pohyblivý piest, potom umiestnením banky do tepelného kúpeľa (vaňa s horúcou vodou) vzduch rozšíri a zdvihne piest a bude pracovať.

Na dokončenie cyklu takéhoto tepelného motora by bolo treba banku umiestniť do studeného kúpeľa, aby sa injekčná striekačka mohla vrátiť do východiskového stavu. Môžete pridať ďalší krok, keď sa piest použije na zdvihnutie hmoty alebo na inú formu mechanickej práce, keď sa pohybuje.

Medzi ďalšie procesy, ktoré sú podrobnejšie uvedené v iných článkoch, patria:

​Izotermickýprocesy, pri ktorých sa teplota udržuje na konštantnej hodnote. Pri konštantnej teplote je tlak nepriamo úmerný objemu a izotermická kompresia vedie k zvýšeniu tlaku, zatiaľ čo izotermická expanzia má za následok pokles tlaku.

Vizochorickýproces, objem plynu je udržiavaný konštantný (nádoba, ktorá drží plyn, je udržiavaná tuhá a nie je schopná expandovať alebo sa zmršťovať). Tu je tlak potom priamo úmerný teplote. V systéme alebo v systéme nemôže byť vykonaná žiadna práca, pretože objem sa nemení.

Vadiabatickýnedochádza k výmene tepla s prostredím. Z hľadiska prvého zákona termodynamiky to znamenáQ= 0, teda akákoľvek zmena vnútornej energie priamo zodpovedá práci vykonávanej v systéme alebo systémom.