Кілька ідеалізованих термодинамічних процесів описують, як можуть змінюватися стани ідеального газу. Ізобарний процес - лише один із таких.
Що таке вивчення термодинаміки?
Термодинаміка - це вивчення змін, які відбуваються в системах внаслідок передачі теплової енергії (теплової енергії). Кожного разу, коли дві системи з різною температурою контактують одна з одною, теплова енергія передаватиметься від більш гарячої системи до системи охолодження.
Багато різних змінних впливає на те, як відбувається цей теплообмін. Молекулярні властивості задіяних матеріалів впливають на те, наскільки швидко і легко теплова енергія здатна переходити з однієї системи в іншу, наприклад Наприклад, а питома теплоємність (кількість тепла, необхідна для підвищення одиниці маси на 1 градус Цельсія) впливає на кінцевий результат температури.
Що стосується газів, то при передачі теплової енергії відбувається ще багато цікавих явищ. Гази можуть значно розширюватися і стискатися, і те, як вони це роблять, залежить від ємності, в якій вони містяться, тиску системи та температури. Отже, розуміння того, як працюють гази, є важливим для розуміння термодинаміки.
Кінетична теорія та змінні стану
Кінетична теорія забезпечує спосіб моделювання газу, щоб застосувати статистичну механіку, що врешті-решт призведе до можливості визначити систему за допомогою набору змінних стану.
Поміркуйте, що таке газ: купа молекул, кожна з яких може вільно пересуватися одна біля одної. Для того, щоб зрозуміти газ, має сенс розглянути його найосновніші компоненти - молекули. Але не дивно, що це стає дуже громіздким дуже швидко. Уявіть, чи велика кількість молекул у склянці, наповненій повітрям, наприклад. Немає настільки потужного комп’ютера, щоб відстежувати взаємодію такої кількості частинок між собою.
Натомість, моделюючи газ як сукупність частинок, що зазнають випадкового руху, ви можете почати зрозуміти загальну картину з точки зору середньоквадратичних швидкостей частинок, наприклад приклад. Стає зручним починати говорити про середню кінетичну енергію молекул замість того, щоб ідентифікувати енергію, пов'язану з кожною окремою частинкою.
Ці величини призводять до можливості визначати змінні стану, які є величинами, що описують стан системи. Основними змінними стану, що обговорюються тут, будуть тиск (сила на одиницю площі), об’єм (величина простору, який займає газ) і температури (яка є мірою середньої кінетичної енергії на молекула). Вивчаючи, як ці змінні стану співвідносяться між собою, ви можете отримати розуміння термодинамічних процесів у макроскопічному масштабі.
Закон Чарльза та Закон про ідеальний газ
Ідеальний газ - це газ, в якому зроблено наступні припущення:
Молекули можна обробляти як точкові частинки, не займаючи місця. (Щоб це було так, високий тиск не допускається, або молекули зблизяться досить близько, щоб їх обсяги стали актуальними.)
Міжмолекулярні сили та взаємодії незначні. (Температура не може бути занадто низькою, щоб це було так. Коли температура занадто низька, міжмолекулярні сили починають відігравати порівняно більшу роль.)
Молекули взаємодіють між собою та стінками контейнера при ідеально еластичних зіткненнях. (Це дозволяє припустити збереження кінетичної енергії.)
Як тільки ці припущення зроблені, деякі відносини стають очевидними. Серед них є закон ідеального газу, який виражається у вигляді рівняння як:
PV = nRT = NkT
ДеPце тиск,V- обсяг,Т- температура,п- кількість родимок,N- кількість молекул,Р- універсальна газова постійна,k- постійна Больцмана іnR = Nk.
З законом ідеального газу тісно пов'язаний закон Чарльза, який говорить, що при постійному тиску об'єм і температура прямо пропорційні, абоV / T= константа.
Що таке ізобарний процес?
Ізобарний процес - це термодинамічний процес, який відбувається при постійному тиску. У цій царині застосовується закон Чарльза, оскільки тиск утримується постійним.
Типи процесів, які можуть відбуватися, коли тиск підтримується постійним, включають ізобарне розширення, в якому об'єм збільшується при зниженні температури та ізобарному скороченні, при якому об’єм зменшується при температурі збільшується.
Якщо ви коли-небудь готували мікрохвильову їжу, яка вимагає, щоб ви вирізали отвір у пластиці перед тим, як вставити його в мікрохвильовку, це пов’язано з ізобаричним розширенням. Усередині мікрохвильової печі тиск всередині та поза пластиковою кришкою для їжі завжди однаковий і завжди в рівновазі. Але коли їжа готується і нагрівається, повітря всередині лотка розширюється в результаті підвищення температури. Якщо вентиляційний отвір недоступний, пластик може розширитися до точки, де він лопається.
Для швидкого експерименту із ізобаричним стисненням вдома покладіть надуту повітряну кулю у свою морозильну камеру. Знову ж, тиск всередині та зовні повітряної кулі завжди буде в рівновазі. Але коли повітря в аеростаті охолоджується, воно в результаті зменшиться.
Якщо будь-який контейнер, в якому знаходиться газ, може вільно розширюватися і стискатися, а зовнішній тиск залишається постійним, тоді будь-який Процес буде ізобаричним, оскільки будь-яка різниця тисків призведе до розширення або стиснення, доки ця різниця не стане вирішено.
Ізобарні процеси та перший закон термодинаміки
Перший закон термодинаміки говорить про зміну внутрішньої енергіїUсистеми дорівнює різниці між кількістю теплової енергії, що додається до системиПитанняі чиста робота, виконана системоюW. У вигляді рівняння це:
\ Дельта U = Q - W
Нагадаємо, що температура була середньою кінетичною енергією на молекулу. Тоді загальна внутрішня енергія є сумою кінетичних енергій усіх молекул (при ідеальному газі потенційні енергії вважаються незначними). Отже, внутрішня енергія системи прямо пропорційна температурі. Оскільки закон ідеального газу пов'язує тиск і об'єм з температурою, внутрішня енергія також пропорційна добутку тиску і об'єму.
Отже, якщо до системи додається теплова енергія, температура зростає, як і внутрішня енергія. Якщо система працює на навколишнє середовище, тоді ця кількість енергії втрачається в навколишнє середовище, а температура та внутрішня енергія зменшуються.
На PV-діаграмі (графік тиску проти об'єму), ізобаричний процес виглядає як горизонтальний лінійний графік. Оскільки об'єм роботи, виконаної під час термодинамічного процесу, дорівнює площі під кривою PV, робота, виконана в ізобарному процесі, є простою:
W = P \ Delta V
Ізобаричні процеси в теплових двигунах
Теплові двигуни перетворюють теплову енергію в механічну через повний певний цикл. Зазвичай це вимагає розширення системи в певний момент циклу, щоб виконувати роботу та передавати енергію чомусь зовнішньому.
Розглянемо приклад, коли колбу Ерленмейєра з’єднують через пластикові трубки зі скляним шприцом. У цій системі є обмежена кількість повітря. Якщо поршень шприца може вільно ковзати, виконуючи роль рухомого поршня, то, помістивши колбу в теплову ванну (ванну з гарячою водою), повітря буде розширюватися і піднімати поршень, виконуючи роботу.
Для завершення циклу такої теплової машини колбу потрібно було б помістити в холодну ванну, щоб шприц знову міг повернутися у вихідний стан. Ви можете додати додатковий крок, щоб плунжер використовувався для підняття маси або виконання якоїсь іншої форми механічної роботи під час руху.
Інші термодинамічні процеси
Інші процеси, про які детальніше йдеться в інших статтях, включають:
Ізотермічнийпроцеси, при яких температура підтримується постійною. При постійній температурі тиск обернено пропорційний об'єму, а ізотермічне стиснення призводить до збільшення тиску, тоді як ізотермічне розширення призводить до зниження тиску.
УізохорнийПроцес, об’єм газу підтримується постійним (ємність, що утримує газ, утримується жорсткою і не може розширюватися або стискатися). Тут тиск тоді прямо пропорційний температурі. Жодна робота не може бути виконана в системі або в системі, оскільки гучність не змінюється.
Уадіабатичнийпроцесу, тепло не обмінюється з навколишнім середовищем. З точки зору першого закону термодинаміки це означаєПитання= 0, отже, будь-яка зміна внутрішньої енергії безпосередньо відповідає роботі, що виконується в системі або системою.