Изобарични процеси: дефиниција, формула и примери

Неколико идеализованих термодинамичких процеса описује како стања идеалног гаса могу да се промене. Изобарни процес је само један од њих.

Термодинамика је проучавање промена које се јављају у системима услед преноса топлотне енергије (топлотне енергије). Сваки пут када су два система различите температуре у контакту један с другим, топлотна енергија ће се пренети из топлијег у хладнији систем.

Много различитих променљивих утиче на то како се јавља пренос топлоте. Молекуларна својства укључених материјала утичу на то колико брзо и лако топлотна енергија може да се пребацује из једног система у други на пример, а специфични топлотни капацитет (количина топлоте потребна за подизање јединичне масе за 1 степен Целзијуса) утиче на коначни коначни резултат температуре.

Када је реч о гасовима, код преноса топлотне енергије јавља се много занимљивијих појава. Плинови се могу значајно проширити и стезати, а начин на који то зависи зависи од посуде у којој су затворени, притиска система и температуре. Разумевање начина на који гасови функционишу, стога је важно за разумевање термодинамике.

Кинетичка теорија пружа начин моделирања гаса тако да се може применити статистичка механика, што на крају резултира способношћу дефинисања система путем скупа променљивих стања.

Размотрите шта је гас: гомила молекула који се сви могу слободно кретати један око другог. Да бисмо разумели гас, има смисла погледати његове најосновније компоненте - молекуле. Али није изненађујуће, ово врло брзо постаје гломазно. Замислите на пример огроман број молекула у само чаши пуној ваздуха. Не постоји довољно моћан рачунар да прати интеракције толиког броја честица једни с другима.

Уместо тога, моделирањем плина као колекције честица које се подвргавају насумичном кретању, можете почети да бисмо разумели укупну слику у смислу средње квадратних брзина честица, за пример. Постаје згодно почети говорити о просечној кинетичкој енергији молекула уместо да се идентификује енергија повезана са сваком појединачном честицом.

Те величине доводе до могућности дефинисања променљивих стања, које су величине које описују стање система. Главне променљиве стања о којима ће овде бити речи биће притисак (сила по јединици површине), запремина (количина простора који заузима гас) и температуре (што је мера просечне кинетичке енергије по молекул). Проучавајући како су ове променљиве стања међусобно повезане, можете стећи разумевање термодинамичких процеса на макроскопској скали.

Идеалан гас је гас за који се праве следеће претпоставке:

Молекули се могу третирати као тачкасте честице, не заузимајући простора. (Да би то био случај, високи притисак није дозвољен или ће се молекули зближити довољно да њихове запремине постану релевантне.)

Интермолекуларне силе и интеракције су занемариве. (Температура не може бити прениска да би то био случај. Када је температура прениска, међумолекуларне силе почињу да играју релативно већу улогу.)

Молекули међусобно делују и зидове контејнера у савршено еластичним сударима. (Ово омогућава претпоставку очувања кинетичке енергије.)

Једном када се направе те претпоставке, неке везе постају очигледне. Међу њима су закон о идеалном гасу, који се изражава у облику једначине као:

ГдеП.је притисак,В.је запремина,Т.је температура,нје број кртица,Н.је број молекула,Р.је универзална гасна константа,кје Болцманова константа инР = Нк​.

Уско повезан са законом о идеалном гасу је Чарлсов закон који каже да су за константни притисак запремина и температура директно пропорционални, илиВ / Т= константа.

Изобарни процес је термодинамички процес који се јавља под сталним притиском. У овом царству се примењује Цхарлесов закон, јер се притисак одржава константним.

Типови процеса који се могу догодити када се притисак одржава константним укључују изобарно ширење, у којем волумен повећава се док се температура смањује, и изобарна контракција, у којој запремина опада док температура повећава.

Ако сте икада кували микроталасни оброк који захтева да отворите отвор за одзрачивање у пластици пре него што га ставите у микроталасну, то је због изобарног ширења. Унутар микроталасне пећнице притисак унутар и изван пластиком обложене посуде за оброке увек је исти и увек у равнотежи. Али како се храна кува и загрева, ваздух у лежишту се шири као резултат повећања температуре. Ако нема доступних вентилационих отвора, пластика се може проширити до тачке у којој пуца.

За брзи експеримент са компресијом изобаре код куће, ставите надувени балон у замрзивач. Поново, притисак унутар и изван балона увек ће бити у равнотежи. Али како се ваздух у балону хлади, услед тога ће се смањивати.

Ако се у било којој посуди у којој се налази гас слободно шири и скупља, а спољни притисак остаје константан, тада било који поступак ће бити изобаричан јер би свака разлика у притисцима проузроковала ширење или стезање док та разлика не буде разрешен.

Први закон термодинамике каже да промена унутрашње енергијеУсистема једнака је разлици између количине топлотне енергије додате системуКи нето рад који систем обављаВ. У облику једначине, ово је:

Подсетимо се да је температура била просечна кинетичка енергија по молекулу. Укупна унутрашња енергија је тада збир кинетичких енергија свих молекула (код идеалног гаса потенцијалне енергије се сматрају занемарљивим). Отуда је унутрашња енергија система директно пропорционална температури. Будући да закон о идеалном гасу односи притисак и запремину на температуру, унутрашња енергија је такође пропорционална производу притиска и запремине.

Дакле, ако се систему дода топлотна енергија, температура се повећава као и унутрашња енергија. Ако систем делује на животну средину, тада се та количина енергије губи у животној средини, а температура и унутрашња енергија се смањују.

На ПВ дијаграму (графикон притиска вс. запремина), изобарски процес изгледа као хоризонтални линијски граф. С обзиром да је количина посла обављеног током термодинамичког процеса једнака површини испод ПВ криве, рад у изобарном процесу је једноставно:

Топлотни мотори претварају топлотну енергију у механичку кроз комплетан некакав циклус. Ово обично захтева да се систем прошири у неком тренутку током циклуса како би радио и преносио енергију на нешто спољашње.

Размотримо пример у коме је Ерленмајерова боца повезана пластичним цевима са стакленим шприцем. У овом систему је ограничена количина ваздуха. Ако је клип шприца слободан да се клизи, делујући као покретни клип, тада ће се стављањем чутуре у топлотно купатило (када са топлом водом) ваздух проширити и подићи клип радећи посао.

Да би се завршио циклус таквог топлотног мотора, тиквицу треба ставити у хладну купку како би се шприц могао поново вратити у почетно стање. Можете додати додатни корак да се клип користи за подизање масе или неки други облик механичког рада док се креће.

Остали процеси о којима се детаљније говори у другим чланцима укључују:

​Изотермнопроцеси, у којима се температура одржава константном. При константној температури, притисак је обрнуто пропорционалан запремини, а изотермна компресија доводи до повећања притиска, док изотермно ширење доводи до смањења притиска.

У анизохоранпроцес, запремина гаса се одржава константном (контејнер који држи гас држи се крутим и не може се проширити или стезати). Овде је притисак тада директно пропорционалан температури. Ниједан посао не може да се обави на систему или од стране система јер се јачина звука не мења.

У анадијабатскипроцеса, не мења се топлота са околином. У смислу првог закона термодинамике, то значиК= 0, стога свака промена унутрашње енергије директно одговара раду који се врши на систему или од стране система.