- Formula i jednadžbe
- eksperimenti
- Izobarski procesi u idealnom plinu
- Primjeri
- Prokuhajte vodu i kuhajte
- Zamrznite vodu
- Grijanje balona ispunjenog zrakom na suncu
- Aerostatski balon
- kotlovi
- Riješene vježbe
- Vježba 1
- Riješenje
- Vježba 2
- Rješenje za
- Reference
U izobarnom procesu tlak P sustava održava se konstantnim. Prefiks „iso“ dolazi od grčkog i koristi se za označavanje da nešto ostaje stalno, dok „baros“, također s grčkog, znači težinu.
Izobarski procesi vrlo su tipični i u zatvorenim spremnicima i na otvorenim prostorima, pa ih je lako pronaći u prirodi. Pod tim podrazumijevamo fizičke i kemijske promjene na zemljinoj površini ili kemijske reakcije u posudama otvorenim u atmosferi.
Slika 1. Izobarični postupak: plava vodoravna linija je izobar, što znači stalan pritisak. Izvor: Wikimedia Commons.
Neki primjeri dobivaju se zagrijavanjem balona napunjenog zrakom na suncu, kuhanjem, kipućom ili zamrzavanjem vode, parom koja se stvara u bojlerima ili postupkom podizanja balona s vrućim zrakom. Objašnjenje ovih slučajeva dat ćemo kasnije.
Formula i jednadžbe
Izvedimo jednadžbu za izobarski postupak pretpostavljajući da je proučavani sustav idealan plin, model prilično prikladan za gotovo bilo koji plin pri tlaku manjem od 3 atmosfere. Čestice idealnog plina kreću se nasumično, zauzimajući cijeli volumen prostora koji ih sadrži, a da međusobno ne djeluju.
Ako se idealni plin zatvoren u cilindar opremljen pomičnim klipom pušta da se polako širi, može se pretpostaviti da su njegove čestice u svakom trenutku u ravnoteži. Tada plin djeluje na klip područja A sile veličine F:
Gdje je p pritisak tlaka. Ova sila djeluje stvarajući beskonačno mali pomak dx u klipu koji daje:
Budući da je proizvod Adx diferencijalni volumen dV, tada je dW = pdV. Ostaje integrirati obje strane od početnog volumena V A do konačnog volumena V B kako bi se dobio ukupni posao koji provodi plin:
eksperimenti
Opisana situacija provjerava se eksperimentalno stavljanjem plina u cilindar opremljen pomičnim klipom, kao što je prikazano na slikama 2 i 3. Težina mase M smještena je na klip, čija je težina usmjerena prema dolje, dok je plin djeluje nagore sila zahvaljujući tlaku P koji stvara na klipu.
Slika 2. Eksperiment koji se sastoji od širenja zatvorenog plina pod konstantnim tlakom. Izvor: F. Zapata.
Budući da se klip može slobodno kretati, volumen koji plin zauzima može se bez problema mijenjati, ali tlak ostaje konstantan. Dodajući li atmosferski tlak P atm, koji također djeluje silama dolje, imamo:
Stoga: P = (Mg / A) + P atm ne varira, osim ako je M modificiran i time nije težina. Dodavanjem topline u cilindar, plin će se proširiti povećanjem svoje zapremine ili će se skupiti kako se toplina uklanja.
Izobarski procesi u idealnom plinu
Jednadžba stanja idealnog plina odnosi se na važne varijable: tlak P, volumen V i temperaturu T:
Ovdje n predstavlja broj molova, a R je idealna konstanta plina (vrijedi za sve plinove), koja se izračunava množenjem Boltzmannove konstante s Avogadrovim brojem, što rezultira:
R = 8,31 J / mol K
Kada je tlak konstantan, jednadžba stanja može se napisati kao:
Ali nR / P je konstanta, jer su n, R i P. Kada sustav prelazi iz stanja 1 u stanje 2, pojavljuje se sljedeći udio, također poznat kao Charlesov zakon:
Slika 3. Animacija koja prikazuje širenje plina pri konstantnom tlaku. S desne strane grafikon volumena kao funkcije temperature, koja je linija. Izvor: Wikimedia Commons. NASA-in istraživački centar Glenn
Supstituirajući u W = PΔV, dobivamo posao obavljen da pređemo iz stanja 1 u 2 u smislu konstanti i temperaturnih razlika, lako izmjeriti termometrom:
To znači da dodavanje određene količine topline Q plinu povećava unutarnju energiju ∆U i povećava vibracije njegovih molekula. Na taj se način plin širi i djeluje pomicanjem klipa, kao što smo već rekli.
Monatomski idealni plin i varijacija unutarnje energije ∆U, koja uključuje kinetičku energiju i potencijalnu energiju njegovih molekula, je:
Konačno, kombiniramo izraze koje smo dobivali u jedno:
Q se može prepisati kao masa m, temperaturna razlika i nova konstanta koja se naziva specifična toplina plina pri konstantnom tlaku, skraćeno c p , čije su jedinice J / mol K:
Primjeri
Nisu svi izobarski procesi provedeni u zatvorenim spremnicima. U stvari, bezbrojni termodinamički procesi svih vrsta odvijaju se pod atmosferskim tlakom, pa su izobarni procesi u prirodi vrlo česti. To uključuje fizičke i kemijske promjene na Zemljinoj površini, kemijske reakcije u posudama otvorenim u atmosferi i još mnogo toga.
Da bi se izobarski procesi odvijali u zatvorenim sustavima, njihove granice moraju biti dovoljno fleksibilne da omogućuju promjene volumena bez promjene tlaka.
To se dogodilo u pokusu klipa koji se lako kretao kako se plin proširio. Isto je i s stavljanjem plina u balon za zabavu ili balonom s vrućim zrakom.
Ovdje imamo nekoliko primjera izobarnih procesa:
Prokuhajte vodu i kuhajte
Vrela voda za čaj ili umaci za kuhanje u otvorenim posudama dobar su primjer izobarskih procesa, jer se svi odvijaju pod atmosferskim tlakom.
Kako se voda zagrijava, temperatura i volumen se povećavaju i ako se toplina nastavi dodavati, konačno se postiže tačka ključanja, u kojoj dolazi do fazne promjene vode iz tekuće u vodenu paru. Dok se to događa, temperatura također ostaje konstantna na 100 ° C.
Zamrznite vodu
S druge strane, smrzavanje vode također je izobarički proces, bilo da se odvija u jezeru tijekom zime ili u kućnom hladnjaku.
Grijanje balona ispunjenog zrakom na suncu
Drugi primjer izobarnog procesa je promjena volumena balona koji se napuhava zrakom kada je ostavljen izložen suncu.
Kako vrijeme prolazi i temperatura raste, balon se također zagrijava, povećavajući volumen i sve se to događa pri konstantnom tlaku. Materijal balona je dobar primjer granice koja je dovoljno fleksibilna da se zrak unutar njega, kada se zagrijava, širi bez promjene tlaka.
Iskustvo se također može postići podešavanjem neinfliranog balona u izljev staklene boce napunjene trećinom vode, koja se zagrijava u vodenoj kupelji. Čim se voda zagrije, balon se odmah napuhne, ali treba paziti da se previše ne zagrijava kako ne bi eksplodirala.
Aerostatski balon
To je plutajući brod bez pogona, koji koristi zračne struje za prijevoz ljudi i predmeta. Balon se obično puni vrućim zrakom, koji se, hladniji od okolnog zraka, diže i širi uzrokujući dizanje balona.
Iako zračne struje usmjeravaju balon, on ima plamenike koji se aktiviraju za zagrijavanje plina kad se želi popeti ili održavati nadmorsku visinu, a deaktiviraju se pri silazi ili slijetanju. Sve se to događa pri atmosferskom tlaku, pretpostavljenom konstantnim na određenoj visini nedaleko od površine.
Slika 4. Baloni s vrućim zrakom. Izvor: Pixabay.
kotlovi
Para se stvara u bojlerima zagrijavanjem vode i održavanjem konstantnog tlaka. Ta para tada obavlja korisne poslove, na primjer, proizvodi električnu energiju u termoelektranama ili djeluje na druge mehanizme poput lokomotiva i pumpi za vodu.
Riješene vježbe
Vježba 1
Imate 40 litara plina na temperaturi 27 ºC. Nađite povećati volumen kada se toplina dodaje izobarski dok ne dosegne 100 ºC.
Riješenje
Charlesov zakon koristi se za određivanje konačnog volumena, ali budite oprezni: temperature moraju biti izražene u kelvinima, samo dodajući 273 K svakoj:
27 ºC = 27 + 273 K = 300 K
100 ºC = 100 + 273 K = 373 K
Iz:
Konačno povećanje volumena je V 2 - V 1 = 49,7 L - 40 L = 9,7 L.
Vježba 2
Idealan plin se isporučuje s 5,00 x 10 3 J energije za obavljanje 2,00 x 10 3 J rada u okolini u izobarskom procesu. Traži se:
a) Promjena unutarnje energije plina.
b) Promjena volumena, ako se sada unutarnja energija smanji za 4,50 x 10 3 J i 7,50 x 10 3 J, izbaci se iz sustava, uzimajući u obzir konstantan tlak 1,01 x 10 5 Pa.
Rješenje za
Koristi se ∆U = Q - W, a vrijednosti navedene u izjavi su supstituirane: Q = 5,00 x 10 3 J i W = 2,00 x 10 3 J:
Izjava kaže da se unutarnja energija smanjuje, dakle: ∆U = - 4,50 x 10 3 J. To nam također govori da se određena količina topline izbacuje: Q = -7,50 x 10 3 J. U oba slučaja znak negativno predstavlja smanjenje i gubitke, tada:
Gdje je P = 1,01 x 10 5 Pa. Kako su sve jedinice u Međunarodnom sustavu, rješavamo za promjenu volumena:
Budući da je promjena glasnoće negativna, znači da je zapremina smanjena, odnosno da se sustav smanjio.
Reference
- Byjou je. Izobarski proces. Oporavilo od: byjus.com.
- Cengel, Y. 2012. Termodinamika. 7. izdanje. McGraw Hill.
- Proces xyz. Saznajte više o izobarskom procesu. Oporavak od: 10proceso.xyz.
- Serway, R., Vulle, C. 2011. Osnove fizike. 9. izd. Cengage Learning.
- Wikipedia. Zakoni o plinu. Oporavilo sa: es.wikipedia.org.