Isobariska processer: definition, formel och exempel

Flera idealiserade termodynamiska processer beskriver hur tillstånd av en idealgas kan genomgå förändringar. Den isobara processen är bara en av dessa.

Termodynamik är studien av förändringar som sker i system på grund av överföring av termisk energi (värmeenergi). Varje gång två system med olika temperatur är i kontakt med varandra överförs värmeenergi från det varmare systemet till det kylare systemet.

Många olika variabler påverkar hur denna värmeöverföring sker. De involverade materialens molekylära egenskaper påverkar hur snabbt och enkelt värmeenergi kan flytta från ett system till ett annat, för exempel, och den specifika värmekapaciteten (den värmemängd som krävs för att höja en enhetsmassa med 1 grad Celsius) påverkar den resulterande slutliga temperaturer.

När det gäller gaser uppstår många fler intressanta fenomen när värmeenergi överförs. Gaser kan expandera och dra ihop sig avsevärt, och hur de gör det beror på behållaren de är inneslutna i, systemets tryck och temperaturen. Att förstå hur gaser fungerar är därför viktigt för att förstå termodynamik.

Kinetisk teori ger ett sätt att modellera en gas så att statistisk mekanik kan användas, vilket så småningom resulterar i att kunna definiera ett system via en uppsättning tillståndsvariabler.

Tänk på vad en gas är: en massa molekyler som alla kan röra sig fritt runt varandra. För att förstå en gas är det vettigt att titta på dess mest grundläggande komponenter - molekylerna. Men inte förvånande blir detta besvärligt mycket snabbt. Föreställ dig det stora antalet molekyler i exempelvis bara ett glas fullt av luft. Det finns inte en dator som är tillräckligt kraftfull för att hålla koll på interaktionen mellan så många partiklar med varandra.

Istället kan du börja med att modellera gasen som en samling partiklar som alla genomgår slumpmässig rörelse att förstå helhetsbilden i termer av partiklarnas rotmedelvärde kvadratiska hastigheter, för exempel. Det blir bekvämt att börja tala om molekylernas genomsnittliga kinetiska energi istället för att identifiera den energi som är associerad med varje enskild partikel.

Dessa kvantiteter leder till förmågan att definiera tillståndsvariabler, vilka är kvantiteter som beskriver tillståndet för ett system. De viktigaste tillståndsvariablerna som diskuteras här kommer att vara tryck (kraften per ytenhet), volym (mängden utrymme som gasen tar upp) och temperatur (vilket är ett mått på den genomsnittliga kinetiska energin per molekyl). Genom att studera hur dessa tillståndsvariabler relaterar till varandra kan du få en förståelse för termodynamiska processer i makroskopisk skala.

En idealgas är en gas där följande antaganden görs:

Molekylerna kan behandlas som punktpartiklar och tar inget utrymme. (För att detta ska vara fallet är högt tryck inte tillåtet, eller så kommer molekylerna att vara tillräckligt nära varandra för att deras volymer ska bli relevanta.)

Intermolekylära krafter och interaktioner är försumbara. (Temperaturen kan inte vara för låg för att detta ska vara fallet. När temperaturen är för låg börjar de intermolekylära krafterna spela en relativt större roll.)

Molekylerna interagerar med varandra och behållarens väggar i perfekt elastiska kollisioner. (Detta möjliggör antagandet om bevarande av kinetisk energi.)

När dessa antaganden har gjorts blir vissa relationer uppenbara. Bland dessa finns den ideala gaslagen, som uttrycks i ekvationsform som:

VarPär tryck,Vär volym,Tär temperatur,när antalet mol,När antalet molekyler,Rär den universella gaskonstanten,kär Boltzmann konstant ochnR = Nk​.

Nära besläktad med den ideala gaslagen är Charles lag, som säger att för konstant tryck är volymen och temperaturen direkt proportionell, ellerV / T= konstant.

En isobar process är en termodynamisk process som sker vid konstant tryck. På detta område gäller Charles lag eftersom trycket hålls konstant.

De typer av processer som kan hända när trycket hålls konstant inkluderar isobarisk expansion, i vilken volym ökar medan temperaturen sjunker och isobar sammandragning, i vilken volymen minskar medan temperaturen ökar.

Om du någonsin har tillagat en mikrovågsugnmåltid som kräver att du skär en ventil i plasten innan du lägger den i mikrovågsugnen beror det på isobarisk expansion. Inuti mikrovågsugnen är trycket inuti och utanför det plastbelagda måltidsfacket alltid detsamma och alltid i jämvikt. Men när maten tillagas och värms upp expanderar luften inuti brickan till följd av temperaturökningen. Om det inte finns någon ventil, kan plasten expandera till den punkt där den spricker.

För ett snabbt hemmaisobärt kompressionsexperiment, lägg en uppblåst ballong i frysen. Återigen kommer trycket inom och utanför ballongen alltid att vara i jämvikt. Men när luften i ballongen svalnar kommer den att krympa som ett resultat.

Om vilken behållare gasen befinner sig i är fri att expandera och dra ihop sig, och det yttre trycket förblir konstant, då någon processen kommer att vara isobar eftersom någon skillnad i tryck skulle orsaka expansion eller sammandragning tills skillnaden är löst.

Den första lagen om termodynamik säger att förändringen i intern energiUi ett system är lika med skillnaden mellan mängden värmeenergi som läggs till systemetFoch nätarbete som utförts av systemetW. I form av ekvation är detta:

Minns att temperaturen var den genomsnittliga kinetiska energin per molekyl. Den totala inre energin är då summan av de kinetiska energierna för alla molekyler (med en idealgas anses potentiella energier försumliga). Därför är systemets interna energi direkt proportionell mot temperaturen. Eftersom den ideala gaslagen relaterar tryck och volym till temperatur, är den inre energin också proportionell mot produkten av tryck och volym.

Så om värmeenergi läggs till systemet ökar temperaturen liksom den interna energin. Om systemet fungerar på miljön går den mängden energi förlorad för miljön och temperaturen och den inre energin minskar.

På ett PV-diagram (diagram över tryck vs. volym), en isobar process ser ut som ett horisontellt linjediagram. Eftersom mängden arbete som utförts under en termodynamisk process är lika med arean under PV-kurvan, är arbetet i en isobar process helt enkelt:

Värmemotorer omvandlar värmeenergi till mekanisk energi via en komplett cykel av något slag. Detta kräver vanligtvis att ett system expanderar någon gång under cykeln för att göra arbete och förmedla energi till något externt.

Tänk på ett exempel där en Erlenmeyer-kolv ansluts via en plastslang till en glasspruta. Innehållet i detta system är en fast mängd luft. Om sprutkolven är fri att glida, fungerar som en rörlig kolv, kommer luften att expandera och lyfta kolven genom att placera kolven i ett värmebad (ett badkar med varmt vatten).

För att slutföra cykeln för en sådan värmemotor måste kolven placeras i ett kallt bad så att sprutan kan återgå till startläge igen. Du kan lägga till ytterligare ett steg att låta kolven användas för att lyfta en massa eller göra någon annan form av mekaniskt arbete när den rör sig.

Andra processer som diskuteras mer detaljerat i andra artiklar inkluderar:

​Isotermiskprocesser där temperaturen hålls konstant. Vid konstant temperatur är trycket omvänt proportionellt mot volymen, och isotermisk kompression resulterar i en ökning av trycket medan isotermisk expansion resulterar i en minskning av trycket.

I enisokoriskprocessen hålls gasens volym konstant (behållaren som håller gasen hålls styv och kan inte expandera eller dra ihop sig). Här är trycket sedan direkt proportionellt mot temperaturen. Inget arbete kan göras på eller av systemet eftersom volymen inte ändras.

I enadiabatiskprocess utbyts ingen värme med miljön. I termer av den första lagen om termodynamik betyder dettaF= 0, följaktligen motsvarar varje förändring av intern energi direkt arbete som utförs på eller av systemet.