- Formula in enačbe
- Poskusi
- Izobarični procesi v idealnem plinu
- Primeri
- Zavremo vodo in skuhamo
- Zamrznite vodo
- Ogrevanje balona, napolnjenega z zrakom na soncu
- Aerostatični balon
- Kotli
- Rešene vaje
- Vaja 1
- Rešitev
- Vaja 2
- Rešitev za
- Reference
V izobarnem postopku se tlak P sistema vzdržuje. Predpona "iso" prihaja iz grščine in se uporablja za označevanje, da nekaj ostane konstantno, "baros" pa tudi iz grščine pomeni težo.
Izobarični procesi so zelo značilni tako v zaprtih posodah kot na odprtih prostorih, saj jih je v naravi enostavno najti. S tem mislimo, da so možne fizične in kemične spremembe na zemeljski površini ali kemične reakcije v posodah, odprtih v atmosfero.
Slika 1. Izobarični postopek: modra vodoravna črta je izobar, kar pomeni stalen pritisk. Vir: Wikimedia Commons.
Nekaj primerov dobimo s segrevanjem balona, napolnjenega z zrakom na soncu, kuhanjem, vretjem ali zamrzovanjem vode, paro, ki nastane v kotlih, ali s postopkom dvigovanja balona z vročim zrakom. Pojasnili bomo te primere kasneje.
Formula in enačbe
Izvedimo enačbo za izobarični postopek ob predpostavki, da je proučevani sistem idealen plin, dokaj primeren model za skoraj kateri koli plin pri manj kot 3 atmosferi tlaka. Delci idealnega plina se premikajo naključno, zasedajo celoten volumen prostora, ki jih vsebuje, ne da bi med seboj vplivali.
Če se idealni plin, zaprt v jeklenki, opremljenem s premičnim batom, lahko počasi širi, lahko sklepamo, da so njegovi delci ves čas v ravnovesju. Nato plin deluje na bat območja A s silo F velikosti:
Kjer je p tlak plina. Ta sila deluje tako, da ustvari neskončno majhen premik dx v batu, ki ga poda:
Ker je izdelek Adx diferencialni volumen dV, potem je dW = pdV. Ostala je treba integrirati obe strani od začetne prostornine V A do končne prostornine V B, da dobimo skupno delo, ki ga opravi plin:
Poskusi
Opisana situacija je preverjena eksperimentalno s pritrditvijo plina v jeklenko, ki je opremljena s premičnim batom, kot je prikazano na slikah 2 in 3. Na batu se namesti masa M, katere teža je usmerjena navzdol, medtem ko plin deluje pritisk navzgor zahvaljujoč pritisku P, ki ga ustvarja na batu.
Slika 2. Poskus, ki sestoji iz širjenja omejenega plina pri konstantnem tlaku. Vir: F. Zapata.
Ker se bat ne more prosto premikati, se lahko prostornina plina spreminja brez težav, tlak pa ostane stalen. Če dodamo še atmosferski tlak P atm , ki deluje tudi navzdol, imamo:
Zato: P = (Mg / A) + P atm se ne spreminja, razen če je M spremenjen in s tem teža. Z dodajanjem toplote v jeklenko se bo plin razširil s povečanjem njegove prostornine ali pa se bo skrčil, ko se toplota odvzame.
Izobarični procesi v idealnem plinu
Enačba idealnega plina navaja pomembne spremenljivke: tlak P, prostornina V in temperatura T:
Tukaj n predstavlja število molov, R pa idealna konstanta plina (velja za vse pline), ki se izračuna tako, da se množi Boltzmannova konstanta na Avogadrovo število, kar ima za posledico:
R = 8,31 J / mol K
Ko je tlak stalen, lahko enačbo stanja zapišemo kot:
Toda nR / P je konstanten, saj so n, R in P. Ko torej sistem preide iz stanja 1 v stanje 2, se pojavi naslednji delež, znan tudi kot Charlesov zakon:
Slika 3. Animacija, ki prikazuje ekspanzijo plina pri konstantnem tlaku. Na desni je graf obsega kot funkcijo temperature, ki je črta. Vir: Wikimedia Commons. Nasino raziskovalno središče Glenn
Z zamenjavo W = PΔV dobimo delo za prehod iz stanja 1 v 2 glede na konstante in temperaturno nihanje, ki ga je enostavno meriti s termometrom:
To pomeni, da dodajanje določene količine toplote Q v plin poveča notranjo energijo ∆U in poveča vibracije njegovih molekul. Na ta način se plin širi in deluje s premikanjem bata, kot smo že rekli.
Monatomski idealni plin in variacija notranje energije ∆U, ki vključuje kinetično energijo in potencialno energijo molekul, je:
Končno združimo izraze, ki smo jih dobili, v eno:
Q je možno prepisati glede na maso m, temperaturno razliko in novo konstanto, imenovano specifična toplota plina pri konstantnem tlaku, skrajšana c p , katere enote so J / mol K:
Primeri
Vsi izobarski procesi se ne izvajajo v zaprtih posodah. V resnici se nešteti termodinamični procesi vseh vrst dogajajo pri atmosferskem tlaku, zato so izobarični procesi po naravi zelo pogosti. To vključuje fizične in kemične spremembe Zemljinega površja, kemične reakcije v posodah, odprtih v atmosferi, in še veliko več.
Da se izobarični procesi odvijajo v zaprtih sistemih, morajo biti njihove meje dovolj prožne, da omogočajo spremembe v prostornini brez spreminjanja tlaka.
To se je zgodilo v poskusu bata, ki se je premikal, ko se je plin širil. Enako je, če plin vstavite v balon za zabavo ali balon z vročim zrakom.
Tu imamo več primerov izobarnih procesov:
Zavremo vodo in skuhamo
Vrela voda za čaj ali kuhanje omak v odprtih posodah so dober primer izobarnih procesov, saj vsi potekajo pod atmosferskim tlakom.
Ko se voda segreva, se temperatura in prostornina povečujeta in če se še naprej dodaja toplota, se končno doseže vrelišče, v katerem pride do fazne spremembe vode iz tekoče v vodno paro. Medtem ko se to zgodi, temperatura tudi pri 100 ° C ostane konstantna.
Zamrznite vodo
Po drugi strani pa je tudi zamrzovanje vode izobarični proces, ne glede na to, ali se odvija v jezeru pozimi ali v domačem hladilniku.
Ogrevanje balona, napolnjenega z zrakom na soncu
Drugi primer izobarnega procesa je sprememba prostornine balona, napihnjenega z zrakom, ko je izpostavljen soncu. Prva stvar zjutraj, ko še ni vroče, balon ima določeno glasnost.
Ko čas mineva in temperatura narašča, se tudi balon segreva, povečuje njegovo prostornino in vse to se dogaja pri konstantnem tlaku. Material balona je dober primer meje, ki je dovolj prožna, da se zrak v njej, ko se segreje, širi brez spreminjanja tlaka.
Izkušnjo je mogoče izvesti tudi s prilagajanjem neraztopljenega balona v iztoku steklene steklenice, napolnjene s tretjino vode, ki jo segrejemo v vodni kopeli. Takoj, ko se voda segreje, balon takoj napihne, vendar je treba paziti, da se ne segreva preveč, da ne eksplodira.
Aerostatični balon
To je plavajoča ladja brez pogona, ki uporablja zračne tokove za prevoz ljudi in predmetov. Balon je običajno napolnjen z vročim zrakom, ki se, hladnejši od okoliškega, dvigne in razširi, zaradi česar se balon dvigne.
Čeprav zračni tokovi usmerjajo balon, ima gorilnike, ki se aktivirajo za segrevanje plina, ko se želi vzpenjati ali vzdrževati višino, in se deaktivirajo pri spuščanju ali pristajanju. Vse to se dogaja pri atmosferskem tlaku, predpostavljenem konstantnem na določeni višini nedaleč od površine.
Slika 4. Baloni z vročim zrakom. Vir: Pixabay.
Kotli
Pare nastajajo v kotlih s segrevanjem vode in vzdrževanjem konstantnega tlaka. Ta para nato opravi koristno delo, na primer pridobivanje električne energije v termoelektrarnah ali delovanje drugih mehanizmov, kot so lokomotive in vodne črpalke.
Rešene vaje
Vaja 1
Imate 40 litrov plina pri temperaturi 27 ° C. Poiščite povečanje prostornine, ko toploto dodajate izobarično, dokler ne dosežete 100 ° C.
Rešitev
Charlesov zakon se uporablja za določitev končne prostornine, vendar bodite previdni: temperature morajo biti izražene v Kelvinu, le da vsak doda 273 K:
27 ºC = 27 + 273 K = 300 K
100 ºC = 100 + 273 K = 373 K
Od:
Končno je povečanje prostornine V 2 - V 1 = 49,7 L - 40 L = 9,7 L.
Vaja 2
Idealen plin se dobavi s 5,00 x 10 3 J energije za opravljanje 2,00 x 10 3 J dela v njegovi okolici v izobaričnem postopku. Prosi, da poišče:
a) Sprememba notranje energije plina.
b) Sprememba prostornine, če se zdaj notranja energija zmanjša za 4,50 x 10 3 J in 7,50 x 10 3 J, se izloči iz sistema, če upoštevamo stalen tlak 1,01 x 10 5 Pa.
Rešitev za
∆U = Q - W se uporabljajo in vrednosti, navedene v stavku, so nadomeščene: Q = 5,00 x 10 3 J in W = 2,00 x 10 3 J:
V izjavi piše, da se notranja energija zmanjšuje, zato: ∆U = - 4,50 x 10 3 J. Prav tako nam pove, da se odvaja določena količina toplote: Q = -7,50 x 10 3 J. V obeh primerih je znak negativno predstavlja zmanjšanje in izgubo, potem:
Kjer je P = 1,01 x 10 5 Pa. Ker so vse enote v mednarodnem sistemu, se lotimo rešitve za spremembo prostornine:
Ker je sprememba glasnosti negativna, pomeni, da se je glasnost zmanjšala, torej da se je sistem skrčil.
Reference
- Byjou's. Izobarični postopek. Pridobljeno od: byjus.com.
- Cengel, Y. 2012. Termodinamika. 7. izdaja McGraw Hill.
- Proces xyz. Preberite več o izobaričnem postopku. Pridobljeno: 10proceso.xyz.
- Serway, R., Vulle, C. 2011. Osnove fizike. 9. ed. Cengage Learning.
- Wikipedija. Zakon o plinu. Pridobljeno: es.wikipedia.org.