ISOBARISK PROCES: FORMLER, LIGNINGER, EKSPERIMENTER, ØVELSER - FYSISK

I en isobarisk proces holdes et systems tryk P konstant. Præfikset "iso" kommer fra det græske og bruges til at betegne, at noget forbliver konstant, mens "baros", også fra det græske, betyder vægt.

Isobariske processer er meget typiske både i lukkede containere og i åbne rum, idet de er lette at lokalisere dem i naturen. Med dette mener vi, at fysiske og kemiske ændringer på jordoverfladen eller kemiske reaktioner i kar, der er åbne for atmosfæren, er mulige.

Figur 1. Isobarisk proces: den blå vandrette linje er en isobar, hvilket betyder konstant tryk. Kilde: Wikimedia Commons.

Nogle eksempler opnås ved opvarmning af en ballon fyldt med luft i solen, kogning, kogende eller frysende vand, dampen frembragt i kedler eller processen med at hæve en varmluftsballon. Vi vil give en forklaring af disse sager senere.

Formel og ligninger

Lad os udlede en ligning for den isobariske proces under forudsætning af, at det undersøgte system er en ideel gas, en model, der er ganske velegnet til næsten enhver gas ved mindre end 3 trykatmosfærer. De ideelle gaspartikler bevæger sig tilfældigt og optager hele rumfanget, der indeholder dem uden at interagere med hinanden.

Hvis den ideelle gas, der er indkapslet i en cylinder forsynet med et bevægeligt stempel, får lov til at ekspandere langsomt, kan det antages, at dens partikler hele tiden er i ligevægt. Derefter udøver gassen på stemplet i område A en styrke F i størrelse:

Hvor p er gasets tryk. Denne kraft arbejder ved at fremstille en infinitesimal forskydning dx i stemplet givet af:

Da produktet Adx er en volumenforskel dV, er dW = pdV. Det gjenstår at integrere begge sider fra det oprindelige volumen V _A til det endelige volumen V _{B for} at opnå det samlede arbejde udført af gassen:

Hvis ΔV er positiv, udvides gassen, og det modsatte sker, når ΔV er negativ. Trykket kontra volumengrafen (PV-diagram) for den isobariske proces er en vandret linje, der forbinder tilstande A og B, og det udførte arbejde er simpelthen lig med det rektangulære område under kurven.

Eksperimenter

Den beskrevne situation verificeres eksperimentelt ved at indeslutne en gas inde i en cylinder forsynet med et bevægeligt stempel, som vist i figur 2 og 3. En vægt af masse M anbringes på stemplet, hvis vægt er rettet nedad, mens gassen den udøver en opadgående kraft takket være det tryk P, det producerer på stemplet.

Figur 2. Eksperiment, der består i at udvide en begrænset gas ved konstant tryk. Kilde: F. Zapata.

Da stemplet er i stand til at bevæge sig frit, kan lydstyrken, som gas optager, ændre sig uden problemer, men trykket forbliver konstant. Ved at tilføje det atmosfæriske tryk P _atm, som også udøver en nedadgående kraft, har vi:

Derfor: P = (Mg / A) + P _atm varierer ikke, medmindre M er modificeret og dermed vægten. Ved at tilføje varme til cylinderen vil gassen ekspandere ved at øge dens volumen, eller den vil trække sig sammen, når varmen fjernes.

Isobariske processer i den ideelle gas

Den ideelle gasligning af tilstand angiver variabler af betydning: tryk P, volumen V og temperatur T:

Her repræsenterer n antallet af mol, og R er den ideelle gaskonstant (gælder for alle gasser), der beregnes ved at multiplicere Boltzmanns konstant med Avogadros antal, hvilket resulterer i:

R = 8,31 J / mol K

Når trykket er konstant, kan tilstandens ligning skrives som:

Men nR / P er konstant, da n, R og P er. Så når systemet går fra tilstand 1 til tilstand 2, opstår følgende forhold, også kendt som Charles's lov:

Figur 3. Animation, der viser gasudvidelse ved konstant tryk. Til højre grafen for lydstyrken som en funktion af temperaturen, som er en linje. Kilde: Wikimedia Commons. NASAs Glenn Research Center.

Ved at substituere i W = PΔV får vi det arbejde, der er gjort for at gå fra tilstand 1 til 2, med hensyn til konstanterne og temperaturvariationen, let at måle med et termometer:

Dette betyder, at tilføjelse af en bestemt mængde varme Q til gassen øger den indre energi ∆U og øger vibrationerne i dens molekyler. På denne måde udvides gassen og fungerer ved at bevæge stemplet, som vi har sagt før.

I en monatomisk ideel gas og variationen af den interne energi ∆U, der inkluderer både den kinetiske energi og dens potentielle energi, er:

Endelig kombinerer vi de udtryk, som vi har fået, til et:

Alternativt kan Q omskrives med hensyn til massen m, temperaturforskellen og en ny konstant kaldet den specifikke gasvarme ved konstant tryk, forkortet _cp , hvis enheder er J / mol K:

eksempler

Ikke alle isobariske processer udføres i lukkede containere. Faktisk forekommer utallige termodynamiske processer af alle slags ved atmosfærisk tryk, så isobariske processer er meget hyppige i naturen. Dette inkluderer fysiske og kemiske ændringer på jordoverfladen, kemiske reaktioner i kar, der er åbne for atmosfæren, og meget mere.

For at isobariske processer kan forekomme i lukkede systemer, skal deres grænser være fleksible nok til at muliggøre ændringer i volumen uden forskellige tryk.

Dette var, hvad der skete i eksperimentet med stemplet, der let bevægede sig, da gassen ekspanderede. Det er det samme ved at omslutte en gas i en festballon eller en varmluftsballon.

Her har vi flere eksempler på isobariske processer:

Kog vand og kog

Kogende vand til te eller madlavningssaucer i åbne containere er gode eksempler på isobariske processer, da de alle finder sted ved atmosfærisk tryk.

Når vandet opvarmes, stiger temperaturen og volumenet, og hvis der fortsat tilføres varme, nås kogepunktet til sidst, hvor faseændringen af vandet fra væske til vanddamp forekommer. Mens dette sker, forbliver temperaturen også konstant ved 100 ° C.

Frys vandet

På den anden side er frysevand også en isobarisk proces, uanset om det foregår i en sø om vinteren eller hjemmekøleskabet.

Opvarmning af en ballon fyldt med luft i solen

Et andet eksempel på en isobarisk proces er ændringen i volumen af en ballon, der er oppustet med luft, når den udsættes for solen. I den tidlige morgen, når den ikke er meget varm endnu, har ballonen et vist volumen.

Når tiden går, og temperaturen stiger, opvarmes ballonen også, hvilket øger dens volumen, og alt dette sker ved konstant tryk. Materialet i ballonen er et godt eksempel på en grænse, der er fleksibel nok, så luften indeni den, når den opvarmes, ekspanderer uden at ændre trykket.

Oplevelsen kan også udføres ved at justere den ikke-oppustede ballon i tuden på en glasflaske fyldt med en tredjedel vand, der opvarmes i et vandbad. Så snart vandet er opvarmet, blæses ballonen op med det samme, men det skal udvises omhu, at det ikke opvarmes for meget, så det ikke eksploderer.

Den aerostatiske ballon

Det er et flydende skib uden fremdrift, der bruger luftstrømme til at transportere mennesker og genstande. Ballonen fyldes normalt med varm luft, der, når den er køligere end den omgivende luft, stiger og udvides, hvilket får ballonen til at stige op.

Selvom luftstrømmene dirigerer ballonen, har den brændere, der aktiveres til at varme op gassen, når det ønskes at stige eller opretholde højden, og deaktiveres, når det falder ned eller landes. Alt dette sker ved atmosfærisk tryk, antaget konstant i en bestemt højde ikke langt fra overfladen.

Figur 4. Balloner med varm luft. Kilde: Pixabay.

Kedler

Damp genereres i kedler ved at opvarme vand og opretholde konstant tryk. Dampen udfører derefter nyttigt arbejde, for eksempel generering af elektricitet i termoelektriske anlæg eller betjening af andre mekanismer, såsom lokomotiver og vandpumper.

Løst øvelser

Øvelse 1

Du har 40 liter gas ved en temperatur på 27 ºC. Find volumenforøgelsen, når varmen tilføres isobarisk, indtil den når 100 ºC.

Løsning

Charles's lov bruges til at bestemme det endelige volumen, men vær forsigtig: temperaturerne skal udtrykkes i kelvin, blot tilføje 273 K til hver enkelt:

27 ºC = 27 + 273 K = 300 K

100 ºC = 100 + 273 K = 373 K

Fra:

Endelig er volumenforøgelsen V ₂ - V ₁ = 49,7 L - 40 L = 9,7 L.

Øvelse 2

En ideel gas leveres med 5,00 x 10 ³ J energi til at udføre 2,00 x 10 ³ J arbejde på omgivelserne i en isobarisk proces. Det beder om at finde:

a) Ændringen i den indre energi i gassen.

b) Ændringen i volumen, hvis den interne energi nu falder med 4,50 x 10 ³ J og 7,50 x 10 ³ J, udvises fra systemet, i betragtning af et konstant tryk på 1,01 x 10 ⁵ Pa.

Løsning på

∆U = Q - W bruges, og værdierne angivet i sætningen erstattes: Q = 5,00 x 10 ³ J og W = 2,00 x 10 ³ J:

Erklæringen siger, at den indre energi derfor falder: ∆U = - 4,50 x 10 ³ J. Den fortæller os også, at en vis mængde varme udvises: Q = -7,50 x 10 ³ J. I begge tilfælde tegnet negativ repræsenterer fald og tab, så:

Hvor P = 1,01 x 10 ⁵ Pa. Da alle enheder er i det internationale system, fortsætter vi med at løse for ændringen i volumen:

Da volumenændringen er negativ, betyder det, at lydstyrken faldt, dvs. at systemet trækkes sammen.

Referencer

Byjou er. Isobarisk proces. Gendannes fra: byjus.com.
Cengel, Y. 2012. Termodynamik. 7. udgave. McGraw Hill.
Fremgangsmåde xyz. Lær mere om den isobariske proces. Gendannes fra: 10proceso.xyz.
Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentals of Physics. 9. udg. Cengage Learning.
Wikipedia. Gaslove. Gendannet fra: es.wikipedia.org.

ISOBARISK PROCES: FORMLER, LIGNINGER, EKSPERIMENTER, ØVELSER - FYSISK - 2025