Birkaç idealize edilmiş termodinamik süreç, ideal bir gazın durumlarının nasıl değişebileceğini tanımlar. İzobarik süreç bunlardan sadece bir tanesidir.
Termodinamik Çalışması Nedir?
Termodinamik, termal enerjinin (ısı enerjisi) aktarımı nedeniyle sistemlerde meydana gelen değişikliklerin incelenmesidir. Farklı sıcaklıktaki iki sistem birbiriyle temas ettiğinde, ısı enerjisi daha sıcak sistemden daha soğuk sisteme aktarılacaktır.
Birçok farklı değişken bu ısı transferinin nasıl gerçekleştiğini etkiler. İlgili malzemelerin moleküler özellikleri, ısı enerjisinin bir sistemden diğerine ne kadar hızlı ve kolay hareket edebileceğini etkiler. ve özgül ısı kapasitesi (birim kütleyi 1 santigrat derece yükseltmek için gereken ısı miktarı) nihai sonucu etkiler. sıcaklıklar.
Gazlar söz konusu olduğunda, ısı enerjisi transfer edildiğinde daha birçok ilginç olay meydana gelir. Gazlar önemli ölçüde genişleyebilir ve büzülebilir ve bunu nasıl yapacakları, içinde bulundukları kaba, sistemin basıncına ve sıcaklığa bağlıdır. Bu nedenle gazların nasıl çalıştığını anlamak, termodinamiği anlamak için önemlidir.
Kinetik Teori ve Durum Değişkenleri
Kinetik teori, istatistiksel mekaniğin uygulanabilmesi için bir gaz modellemenin bir yolunu sağlar ve sonuçta bir dizi durum değişkeni aracılığıyla bir sistem tanımlanabilmektedir.
Bir gazın ne olduğunu düşünün: Birbirlerinin etrafında serbestçe hareket edebilen bir grup molekül. Bir gazı anlamak için onun en temel bileşenlerine, yani moleküllere bakmak mantıklıdır. Ancak şaşırtıcı olmayan bir şekilde, bu çok hızlı bir şekilde hantal hale gelir. Örneğin, havayla dolu bir bardaktaki çok sayıda molekülü hayal edin. Bu kadar çok parçacığın birbiriyle etkileşimini takip edebilecek kadar güçlü bir bilgisayar yoktur.
Bunun yerine, gazı tümü rastgele hareket eden bir parçacıklar topluluğu olarak modelleyerek işe başlayabilirsiniz. genel resmi parçacıkların ortalama kare hızları cinsinden anlamak için, misal. Her bir parçacıkla ilişkili enerjiyi tanımlamak yerine, moleküllerin ortalama kinetik enerjisinden bahsetmeye başlamak uygun olur.
Bu nicelikler, bir sistemin durumunu tanımlayan nicelikler olan durum değişkenlerini tanımlama becerisine yol açar. Burada tartışılan ana durum değişkenleri basınç (birim alan başına kuvvet), hacim (miktar miktarı) olacaktır. gazın kapladığı alan) ve sıcaklık (bu, gaz başına ortalama kinetik enerjinin bir ölçüsüdür) molekül). Bu durum değişkenlerinin birbirleriyle nasıl ilişkili olduğunu inceleyerek, makroskopik ölçekte termodinamik süreçleri anlayabilirsiniz.
Charles Yasası ve İdeal Gaz Yasası
İdeal gaz, aşağıdaki varsayımların yapıldığı bir gazdır:
Moleküller, yer kaplamayan nokta parçacıklar gibi ele alınabilir. (Durumun böyle olması için, yüksek basınca izin verilmez veya moleküller, hacimleri anlamlı hale gelecek kadar birbirine yaklaşır.)
Moleküller arası kuvvetler ve etkileşimler ihmal edilebilir. (Sıcaklık bunun olması için çok düşük olamaz. Sıcaklık çok düşük olduğunda, moleküller arası kuvvetler nispeten daha büyük bir rol oynamaya başlar.)
Moleküller birbirleriyle ve kabın duvarlarıyla mükemmel esnek çarpışmalarda etkileşir. (Bu, kinetik enerjinin korunumu varsayımına izin verir.)
Bu varsayımlar yapıldıktan sonra, bazı ilişkiler görünür hale gelir. Bunlar arasında denklem biçiminde ifade edilen ideal gaz yasası vardır:
PV = nRT = NkT
NeredePbasınçtır,Vhacimdir,Tsıcaklık,nmol sayısıdır,Nmolekül sayısıdır,$evrensel gaz sabitidir,kBoltzmann sabitidir venR = Nk.
İdeal gaz yasasıyla yakından ilgili olan Charles yasası, sabit basınç için hacim ve sıcaklığın doğru orantılı olduğunu veyaV/T= sabit.
İzobarik Süreç Nedir?
Bir izobarik süreç, sabit basınçta meydana gelen termodinamik bir süreçtir. Bu alanda, basınç sabit tutulduğu için Charles yasası geçerlidir.
Basınç sabit tutulduğunda meydana gelebilecek işlem türleri arasında, hacmin bulunduğu izobarik genleşme bulunur. sıcaklık azalırken artar ve sıcaklık azalırken hacmin azaldığı izobarik büzülme artışlar.
Mikrodalgaya koymadan önce plastiği havalandırmanızı gerektiren bir mikrodalga yemek pişirdiyseniz, bunun nedeni izobarik genişlemedir. Mikrodalganın içinde, plastik kaplı yemek tepsisinin içindeki ve dışındaki basınç her zaman aynıdır ve her zaman dengededir. Ancak yemek pişip ısındıkça, sıcaklığın artması sonucu tepsinin içindeki hava genişler. Havalandırma mevcut değilse, plastik patlayacağı noktaya kadar genişleyebilir.
Evde hızlı bir izobarik sıkıştırma deneyi için, dondurucunuza şişirilmiş bir balon koyun. Yine balonun içindeki ve dışındaki basınç her zaman dengede olacaktır. Ancak balondaki hava soğudukça küçülür.
Gaz hangi kapta olursa olsun genleşmekte ve büzülmekte serbestse ve dış basınç sabit kalıyorsa, herhangi bir süreç izobarik olacaktır, çünkü basınçlardaki herhangi bir fark, bu fark oluşana kadar genişleme veya daralmaya neden olacaktır. çözüldü.
İzobarik Süreçler ve Termodinamiğin Birinci Yasası
Termodinamiğin birinci yasası, iç enerjideki değişiminsensisteme eklenen ısı enerjisi miktarı arasındaki farka eşittir.Sve sistem tarafından yapılan net işW. Denklem biçiminde, bu:
\Delta U = Q - W
Sıcaklığın molekül başına ortalama kinetik enerji olduğunu hatırlayın. Toplam iç enerji daha sonra tüm moleküllerin kinetik enerjilerinin toplamıdır (ideal bir gaz ile potansiyel enerjiler ihmal edilebilir olarak kabul edilir). Dolayısıyla sistemin iç enerjisi sıcaklıkla doğru orantılıdır. İdeal gaz yasası basınç ve hacmi sıcaklıkla ilişkilendirdiğinden, iç enerji de basınç ve hacmin çarpımı ile orantılıdır.
Yani sisteme ısı enerjisi eklenirse, iç enerji gibi sıcaklık da artar. Sistem çevre üzerinde çalışıyorsa, bu miktarda enerji çevreye kaybedilir ve sıcaklık ve iç enerji azalır.
Bir PV diyagramında (basınç ve basınç grafiği) hacim), izobarik bir süreç yatay bir çizgi grafiğine benziyor. Bir termodinamik işlem sırasında yapılan iş miktarı, PV eğrisinin altındaki alana eşit olduğundan, izobarik bir işlemde yapılan iş basitçe:
W = P\Delta V
Isı Motorlarında İzobarik İşlemler
Isı motorları, bir tür tam çevrim yoluyla ısı enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür. Bu, tipik olarak, iş yapmak ve harici bir şeye enerji vermek için döngü sırasında bir noktada genişlemek için bir sistem gerektirir.
Bir Erlenmeyer şişesinin plastik bir boru vasıtasıyla bir cam şırıngaya bağlandığı bir örneği ele alalım. Bu sistem içinde sabit bir miktarda hava bulunur. Şırınganın pistonu, hareketli bir piston görevi görerek kaymakta serbestse, o zaman şişeyi bir ısı banyosuna (bir sıcak su küveti) yerleştirerek, hava genişler ve pistonu kaldırarak iş yapar.
Böyle bir ısı motorunun döngüsünü tamamlamak için, şırınganın tekrar başlangıç durumuna geri dönebilmesi için şişenin soğuk bir banyoya yerleştirilmesi gerekir. Pistonun bir kütleyi kaldırmak veya hareket ettikçe başka bir tür mekanik iş yapmak için kullanılmasını sağlamak için ek bir adım ekleyebilirsiniz.
Diğer Termodinamik Prosesler
Diğer makalelerde daha ayrıntılı olarak tartışılan diğer süreçler şunları içerir:
İzotermalsıcaklığın sabit tutulduğu süreçlerdir. Sabit sıcaklıkta basınç, hacimle ters orantılıdır ve izotermal sıkıştırma, basınçta bir artışa neden olurken, izotermal genleşme, basınçta bir azalmaya neden olur.
birizokorikişleminde gazın hacmi sabit tutulur (gazı tutan kap rijit tutulur ve genleşemez veya büzüşemez). Burada basınç sıcaklıkla doğru orantılıdır. Hacim değişmediği için sistem üzerinde veya sistem tarafından herhangi bir iş yapılamaz.
biradyabatikproseste çevre ile ısı alışverişi olmaz. Termodinamiğin birinci yasası açısından bu şu anlama gelir:S= 0, dolayısıyla iç enerjideki herhangi bir değişiklik, doğrudan sistem üzerinde veya sistem tarafından yapılan işe karşılık gelir.