กระบวนการไอโซบาริก: ความหมาย สูตร & ตัวอย่าง

กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ในอุดมคติหลายกระบวนการอธิบายว่าสถานะของก๊าซในอุดมคติสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างไร กระบวนการไอโซบาริกเป็นเพียงหนึ่งในนั้น

อุณหพลศาสตร์คือการศึกษาการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในระบบเนื่องจากการถ่ายเทพลังงานความร้อน (พลังงานความร้อน) เมื่อใดก็ตามที่ระบบสองระบบที่มีอุณหภูมิต่างกันสัมผัสกัน พลังงานความร้อนจะถ่ายเทจากระบบที่ร้อนกว่าไปยังระบบทำความเย็น

ตัวแปรต่างๆ มากมายส่งผลต่อการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้น คุณสมบัติระดับโมเลกุลของวัสดุที่เกี่ยวข้องส่งผลต่อความรวดเร็วและง่ายดายในการเคลื่อนย้ายพลังงานความร้อนจากระบบหนึ่งไปยังอีกระบบหนึ่ง สำหรับ ตัวอย่าง และความจุความร้อนจำเพาะ (ปริมาณความร้อนที่ต้องการเพิ่มมวลหน่วย 1 องศาเซลเซียส) จะส่งผลต่อผลลัพธ์สุดท้าย อุณหภูมิ

เมื่อพูดถึงก๊าซ ปรากฏการณ์ที่น่าสนใจอีกมากมายเกิดขึ้นเมื่อถ่ายเทพลังงานความร้อน ก๊าซสามารถขยายตัวและหดตัวได้อย่างมาก และวิธีการทำเช่นนี้ขึ้นอยู่กับภาชนะที่ถูกกักขัง ความดันของระบบ และอุณหภูมิ การทำความเข้าใจว่าก๊าซทำงานอย่างไรจึงเป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจอุณหพลศาสตร์

ทฤษฎีจลนศาสตร์ให้วิธีการสร้างแบบจำลองก๊าซเพื่อให้สามารถใช้กลศาสตร์ทางสถิติ ส่งผลให้สามารถกำหนดระบบผ่านชุดของตัวแปรสถานะได้

พิจารณาว่าก๊าซคืออะไร: กลุ่มโมเลกุลทั้งหมดสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระรอบตัว เพื่อให้เข้าใจแก๊ส ควรพิจารณาองค์ประกอบพื้นฐานที่สุด นั่นคือ โมเลกุล แต่ไม่น่าแปลกใจที่สิ่งนี้จะกลายเป็นเรื่องยุ่งยากอย่างรวดเร็ว ลองนึกภาพจำนวนโมเลกุลที่แท้จริงในแก้วที่เต็มไปด้วยอากาศเป็นต้น ไม่มีคอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพเพียงพอที่จะติดตามการโต้ตอบของอนุภาคจำนวนมากที่มีกันและกัน

คุณสามารถเริ่มต้นได้โดยการสร้างแบบจำลองก๊าซเป็นคอลเล็กชันของอนุภาคทั้งหมดที่มีการเคลื่อนไหวแบบสุ่มแทน เพื่อทำความเข้าใจภาพรวมในแง่ของความเร็วเฉลี่ยรูตของอนุภาคสำหรับ ตัวอย่าง. เป็นการสะดวกที่จะเริ่มพูดถึงพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุล แทนที่จะระบุพลังงานที่เกี่ยวข้องกับแต่ละอนุภาค

ปริมาณเหล่านี้นำไปสู่ความสามารถในการกำหนดตัวแปรสถานะ ซึ่งเป็นปริมาณที่อธิบายสถานะของระบบ ตัวแปรสถานะหลักที่กล่าวถึงในที่นี้คือแรงดัน (แรงต่อหน่วยพื้นที่) ปริมาตร (ปริมาณ ของพื้นที่ที่ก๊าซใช้) และอุณหภูมิ (ซึ่งเป็นตัววัดพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อ โมเลกุล) เมื่อศึกษาว่าตัวแปรสถานะเหล่านี้เกี่ยวข้องกันอย่างไร คุณจะเข้าใจกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ในระดับมหภาค

ก๊าซในอุดมคติคือก๊าซที่มีการตั้งสมมติฐานดังต่อไปนี้:

โมเลกุลสามารถได้รับการปฏิบัติเหมือนอนุภาคจุดโดยไม่ต้องใช้พื้นที่ (ในกรณีนี้ ไม่อนุญาตให้ใช้แรงดันสูง หรือโมเลกุลจะอยู่ใกล้กันมากพอที่ปริมาตรของพวกมันจะสัมพันธ์กัน)

แรงระหว่างโมเลกุลและปฏิสัมพันธ์มีเพียงเล็กน้อย (อุณหภูมิต้องไม่ต่ำเกินไปสำหรับกรณีนี้ เมื่ออุณหภูมิต่ำเกินไป แรงระหว่างโมเลกุลเริ่มมีบทบาทที่ค่อนข้างใหญ่)

โมเลกุลมีปฏิกิริยาต่อกันและผนังของภาชนะบรรจุเกิดการชนกันอย่างยืดหยุ่นอย่างสมบูรณ์ (ทำให้สามารถสันนิษฐานได้ว่าการอนุรักษ์พลังงานจลน์)

เมื่อสมมติฐานเหล่านี้เกิดขึ้น ความสัมพันธ์บางอย่างก็ชัดเจน ในบรรดากฎเหล่านี้คือกฎของแก๊สในอุดมคติซึ่งแสดงในรูปแบบสมการดังนี้:

ที่ไหนพีคือความกดดันวีคือปริมาณตู่คืออุณหภูมินคือจำนวนโมลนู๋คือจำนวนโมเลกุลRคือค่าคงที่แก๊สสากลkคือค่าคงที่ Boltzmann และmannnR = Nk​.

กฎของชาร์ลส์ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับกฎของแก๊สในอุดมคติ ซึ่งระบุว่าสำหรับความดันคงที่ ปริมาตรและอุณหภูมิจะเป็นสัดส่วนโดยตรง หรือวี/ที= ค่าคงที่

กระบวนการไอโซบาริกเป็นกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ที่เกิดขึ้นที่ความดันคงที่ ในดินแดนนี้ กฎของชาร์ลส์มีผลบังคับใช้เนื่องจากความกดดันคงที่

ประเภทของกระบวนการที่สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อความดันคงที่ ได้แก่ การขยายตัวแบบไอโซบาริก ซึ่งปริมาตร เพิ่มขึ้นในขณะที่อุณหภูมิลดลงและการหดตัวของไอโซบาริกซึ่งปริมาตรจะลดลงในขณะที่อุณหภูมิ เพิ่มขึ้น

หากคุณเคยทำอาหารด้วยไมโครเวฟที่ต้องการให้คุณตัดช่องระบายอากาศในพลาสติกก่อนนำเข้าไมโครเวฟ นั่นเป็นเพราะการขยายตัวของไอโซบาริก ภายในไมโครเวฟ ความดันภายในและภายนอกถาดอาหารพลาสติกจะเท่ากันเสมอและอยู่ในสมดุลเสมอ แต่เมื่ออาหารสุกและร้อนขึ้น อากาศภายในถาดก็ขยายตัวขึ้นอันเป็นผลมาจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น หากไม่มีช่องระบายอากาศ พลาสติกอาจขยายตัวจนถึงจุดที่ระเบิดได้

สำหรับการทดสอบการบีบอัดไอโซบาริกที่บ้านอย่างรวดเร็ว ให้ใส่บอลลูนที่พองลมในช่องแช่แข็งของคุณ อีกครั้ง ความดันภายในและภายนอกบอลลูนจะอยู่ในสมดุลเสมอ แต่เมื่ออากาศในบอลลูนเย็นตัวลง บอลลูนก็จะหดตัวตามไปด้วย

หากภาชนะใดก็ตามที่ก๊าซมีอิสระที่จะขยายตัวและหดตัว และความดันภายนอกยังคงที่ กระบวนการจะเป็นแบบไอโซบาริก เพราะความแตกต่างของแรงกดจะทำให้เกิดการขยายตัวหรือหดตัวจนกว่าความแตกต่างจะเป็น แก้ไขแล้ว

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในยูของระบบมีค่าเท่ากับส่วนต่างระหว่างปริมาณพลังงานความร้อนที่เติมในระบบคิวและงานเน็ตที่ทำโดยระบบW. ในรูปแบบสมการ นี่คือ:

จำได้ว่าอุณหภูมิเป็นพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุล พลังงานภายในทั้งหมดเป็นผลรวมของพลังงานจลน์ของโมเลกุลทั้งหมด (ด้วยก๊าซในอุดมคติ พลังงานศักย์จะถือว่าเล็กน้อย) ดังนั้นพลังงานภายในของระบบจึงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิ เนื่องจากกฎของแก๊สในอุดมคติเกี่ยวข้องกับความดันและปริมาตรกับอุณหภูมิ พลังงานภายในจึงเป็นสัดส่วนกับผลคูณของความดันและปริมาตรด้วย

ดังนั้นหากเพิ่มพลังงานความร้อนลงในระบบ อุณหภูมิก็จะสูงขึ้นเช่นเดียวกับพลังงานภายใน หากระบบทำงานเกี่ยวกับสิ่งแวดล้อม ปริมาณพลังงานนั้นก็จะสูญเสียไปต่อสิ่งแวดล้อม อุณหภูมิและพลังงานภายในจะลดลง

บนไดอะแกรม PV (กราฟของแรงดันเทียบกับ ปริมาณ) กระบวนการไอโซบาริกดูเหมือนกราฟเส้นแนวนอน เนื่องจากปริมาณงานที่ทำระหว่างกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์เท่ากับพื้นที่ใต้เส้นโค้ง PV งานที่ทำในกระบวนการไอโซบาริกจึงเป็นเรื่องง่าย:

เครื่องยนต์ความร้อนแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานกลผ่านวัฏจักรที่สมบูรณ์บางประเภท โดยปกติจะต้องมีระบบขยายในบางช่วงของวงจรเพื่อทำงานและให้พลังงานกับสิ่งภายนอก

ลองพิจารณาตัวอย่างที่ขวดรูปชมพู่เชื่อมต่อผ่านท่อพลาสติกกับหลอดฉีดยาแก้ว ภายในระบบนี้มีปริมาณอากาศคงที่ หากลูกสูบของกระบอกฉีดยาสามารถเลื่อนได้อย่างอิสระ โดยทำหน้าที่เป็นลูกสูบที่เคลื่อนที่ได้ จากนั้นวางขวดในอ่างให้ความร้อน (อ่างน้ำร้อน) อากาศจะขยายตัวและยกลูกสูบขึ้นขณะทำงาน

เพื่อให้วงจรของเครื่องทำความร้อนดังกล่าวสมบูรณ์ กระติกน้ำจะต้องถูกวางไว้ในอ่างน้ำเย็นเพื่อให้กระบอกฉีดยาสามารถกลับสู่สถานะเริ่มต้นได้อีกครั้ง คุณสามารถเพิ่มขั้นตอนเพิ่มเติมในการใช้ลูกสูบเพื่อยกของจำนวนมากหรือทำงานทางกลรูปแบบอื่นขณะที่มันเคลื่อนที่ได้

กระบวนการอื่น ๆ ที่กล่าวถึงในรายละเอียดเพิ่มเติมในบทความอื่น ๆ ได้แก่:

​ไอโซเทอร์มอลกระบวนการซึ่งอุณหภูมิคงที่ ที่อุณหภูมิคงที่ ความดันจะแปรผกผันกับปริมาตร และการบีบอัดด้วยอุณหภูมิความร้อนจะส่งผลให้ความดันเพิ่มขึ้น ในขณะที่การขยายตัวของอุณหภูมิความร้อนจะส่งผลให้ความดันลดลง

ในอันisochoricกระบวนการ ปริมาตรของก๊าซจะคงที่ (ภาชนะที่บรรจุก๊าซมีความแข็งและไม่สามารถขยายหรือหดตัวได้) ความดันในที่นี้จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิ ไม่สามารถทำงานบนหรือโดยระบบได้ เนื่องจากระดับเสียงไม่เปลี่ยนแปลง

ในอันอะเดียแบติกกระบวนการไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ หมายถึงคิว= 0 ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงใดๆ ของพลังงานภายในจะสัมพันธ์โดยตรงกับงานที่ทำในหรือโดยระบบ