Izobarični procesi: opredelitev, formula in primeri

Več idealiziranih termodinamičnih procesov opisuje, kako se lahko stanje idealnega plina spremeni. Izobarični proces je le eden od teh.

Termodinamika je preučevanje sprememb, ki se pojavijo v sistemih zaradi prenosa toplotne energije (toplotne energije). Vsakič, ko sta dva sistema z različno temperaturo v stiku med seboj, se bo toplotna energija iz vročega sistema prenesla v hladilnejši sistem.

Veliko različnih spremenljivk vpliva na to, kako pride do tega prenosa toplote. Molekularne lastnosti vpletenih materialov vplivajo na to, kako hitro in enostavno se lahko toplotna energija prenaša iz enega sistema v drugega primer, in specifična toplotna zmogljivost (količina toplote, potrebna za dvig enote mase za 1 stopinjo Celzija) vpliva na končni rezultat temperature.

Ko gre za pline, se pri prenosu toplotne energije zgodi veliko več zanimivih pojavov. Plini se lahko znatno razširijo in skrčijo, način njihovega delovanja pa je odvisno od posode, v kateri so zaprti, tlaka sistema in temperature. Razumevanje delovanja plinov je zato pomembno pri razumevanju termodinamike.

Kinetična teorija ponuja način modeliranja plina, tako da je mogoče uporabiti statistično mehaniko, sčasoma pa lahko določimo sistem prek nabora spremenljivk stanja.

Razmislite, kaj je plin: kup molekul, ki se lahko prosto gibljejo druga okoli druge. Da bi razumeli plin, je smiselno pogledati njegove najosnovnejše sestavine - molekule. A ni presenetljivo, da to zelo hitro postane okorno. Predstavljajte si na primer samo število molekul v kozarcu, polnem zraka. Ni dovolj zmogljivega računalnika, ki bi lahko spremljal medsebojne vplive toliko delcev.

Namesto tega lahko začnete z modeliranjem plina kot zbirke delcev, ki so podvrženi naključnemu gibanju za razumevanje celotne slike v smislu povprečnih kvadratnih hitrosti delcev, za primer. Prikladno je začeti govoriti o povprečni kinetični energiji molekul, namesto da bi ugotovili energijo, povezano z vsakim posameznim delcem.

Te količine vodijo do zmožnosti definiranja spremenljivk stanja, ki so količine, ki opisujejo stanje sistema. Tu bodo obravnavane glavne spremenljivke stanja: tlak (sila na enoto površine), prostornina (količina prostora, ki ga zavzame plin) in temperature (kar je merilo povprečne kinetične energije na molekula). S preučevanjem medsebojnih povezav teh spremenljivk stanja lahko pridobite razumevanje termodinamičnih procesov v makroskopskem merilu.

Idealen plin je plin, pri katerem se upoštevajo naslednje predpostavke:

Molekule lahko obravnavamo kot točkovne delce, ne da bi zavzeli prostor. (V tem primeru visok tlak ni dovoljen ali pa se molekule zbližajo dovolj, da postane njihova količina pomembna.)

Medmolekularne sile in interakcije so zanemarljive. (Temperatura ne more biti prenizka, da bi bilo tako. Ko je temperatura prenizka, začnejo medmolekularne sile igrati relativno večjo vlogo.)

Molekule medsebojno delujejo in stene posode v popolnoma elastičnih trkih. (To omogoča predpostavko o ohranjanju kinetične energije.)

Ko so te predpostavke oblikovane, postanejo nekateri odnosi očitni. Med temi so zakon o idealnem plinu, ki je v obliki enačbe izražen kot:

KjePje pritisk,Vje prostornina,Tje temperatura,nje število molov,Nje število molekul,Rje univerzalna plinska konstanta,kje Boltzmannova konstanta innR = Nk​.

Z zakonom o idealnem plinu je tesno povezan Charlesov zakon, ki pravi, da sta pri konstantnem tlaku prostornina in temperatura neposredno sorazmerni oz.V / T= konstanta.

Izobarični proces je termodinamični proces, ki se pojavi pri stalnem tlaku. Na tem področju velja Charlesov zakon, ker je pritisk konstanten.

Vrste procesov, ki se lahko zgodijo, ko je tlak konstanten, vključujejo izobarno ekspanzijo, v kateri je prostornina narašča, medtem ko se temperatura znižuje, in izobarno krčenje, pri katerem se prostornina zmanjša, medtem ko temperatura povečuje.

Če ste kdaj skuhali mikrovalovni obrok, ki zahteva, da v plastiki izrežete zračnik, preden ga postavite v mikrovalovno pečico, je to posledica izobarne ekspanzije. V notranjosti mikrovalovne pečice je tlak znotraj in zunaj s plastiko prekritega pladnja za obroke vedno enak in vedno v ravnovesju. Ko pa se hrana kuha in segreva, se zrak v pladnju razširi zaradi povišanja temperature. Če ni na voljo odzračevalnika, se lahko plastika razširi do točke, kjer poči.

Za hiter eksperiment stiskanja izobare, ki ga imate doma, v zamrzovalnik postavite napihnjen balon. Spet bo tlak v balonu in zunaj njega vedno v ravnovesju. Ko pa se zrak v balonu ohladi, se bo posledično skrčil.

Če se kateri koli zabojnik, v katerem je plin, lahko širi in krči, zunanji tlak pa ostane stalen, potem kateri koli Postopek bo izobaričen, ker bi vsaka razlika v tlakih povzročila širjenje ali krčenje, dokler ta razlika ne bo razrešen.

Prvi zakon termodinamike navaja, da je sprememba notranje energijeUsistema enaka razliki med količino toplotne energije, dodane sistemuVin neto delo sistemaW. V obliki enačbe je to:

Spomnimo se, da je bila temperatura povprečna kinetična energija na molekulo. Skupna notranja energija je nato vsota kinetičnih energij vseh molekul (pri idealnem plinu se potencialne energije štejejo za zanemarljive). Zato je notranja energija sistema sorazmerna s temperaturo. Ker zakon o idealnem plinu povezuje tlak in prostornino s temperaturo, je tudi notranja energija sorazmerna zmnožku tlaka in prostornine.

Torej, če sistemu dodamo toplotno energijo, se temperatura poveča kot tudi notranja energija. Če sistem deluje na okolje, se ta količina energije izgubi v okolju, temperatura in notranja energija pa se zmanjšata.

Na diagramu PV (graf tlaka vs. obsega), je izobarični postopek videti kot vodoravni črtogram. Ker je količina dela, opravljenega med termodinamičnim postopkom, enaka površini pod krivuljo PV, je delo, opravljeno v izobarnem procesu, preprosto:

Toplotni motorji skozi celoten cikel pretvarjajo toplotno energijo v mehansko. To običajno zahteva, da se sistem v določeni točki med ciklom razširi, da lahko opravlja delo in oddaja energijo nečemu zunanjemu.

Poglejmo primer, v katerem je erlenmajerica s plastično cevjo priključena na stekleno brizgo. V tem sistemu je omejena količina zraka. Če bat injekcijske brizge lahko prosto drsi in deluje kot premični bat, se z namestitvijo bučke v toplotno kopel (kad z vročo vodo) zrak razširi in dvigne bat, pri tem pa opravlja delo.

Za dokončanje cikla takšnega toplotnega stroja je treba bučko postaviti v hladno kopel, da se lahko brizga znova vrne v začetno stanje. Dodate lahko dodaten korak, da bat uporabite za dviganje mase ali izvajanje kakšne druge mehanske obdelave, ko se premika.

Drugi postopki, ki so podrobneje obravnavani v drugih člankih, vključujejo:

​Izotermičnaprocesi, pri katerih je temperatura konstantna. Pri konstantni temperaturi je tlak obratno sorazmeren prostornini, izotermično stiskanje pa povzroči povišanje tlaka, medtem ko izotermično raztezanje povzroči znižanje tlaka.

VizohornoProces ima prostornino plina konstantno (posoda s plinom je trda in se ne more razširiti ali skrčiti). Tu je tlak potem neposredno sorazmeren s temperaturo. Na sistemu ali s sistemom ni mogoče delati, ker se glasnost ne spreminja.

Vadiabatskiprocesa, se toplota ne izmenjuje z okoljem. V smislu prvega zakona termodinamike to pomeniV= 0, zato vsaka sprememba notranje energije neposredno ustreza delu, ki ga izvaja sistem ali sistem.