ISOBARISK PROSESS: FORMLER, LIKNINGER, EKSPERIMENTER, ØVELSER - FYSISK

I en isobarisk prosess holdes trykket P for et system konstant. Prefikset "iso" kommer fra det greske og brukes til å betegne at noe forblir konstant, mens "baros", også fra det greske, betyr vekt.

Isobariske prosesser er veldig typiske både i lukkede containere og i åpne områder, og det er lett å finne dem i naturen. Med dette mener vi at fysiske og kjemiske forandringer på jordoverflaten eller kjemiske reaksjoner i kar som er åpne for atmosfæren er mulig.

Figur 1. Isobarisk prosess: den blå horisontale linjen er en isobar, som betyr konstant trykk. Kilde: Wikimedia Commons.

Noen eksempler oppnås ved å varme opp en ballong fylt med luft i solen, koke, koke eller fryse vann, dampen som genereres i kjeler eller prosessen med å heve en varmluftsballong. Vi vil gi en forklaring på disse sakene senere.

Formler og ligninger

La oss utlede en ligning for den isobariske prosessen under forutsetning av at systemet som studeres er en ideell gass, en modell som er ganske egnet for nesten all gass ved mindre enn 3 atmosfæres trykk. De ideelle gasspartiklene beveger seg tilfeldig og opptar hele volumet av rommet som inneholder dem uten å samvirke med hverandre.

Hvis den ideelle gassen innkapslet i en sylinder utstyrt med et bevegelig stempel får lov til å ekspandere sakte, kan det antas at partiklene til enhver tid er i likevekt. Så utøver gassen på stempelet i område A en styrke F med styrke:

Hvor p er gassens trykk. Denne kraften arbeider med å produsere en uendelig forskyvning dx i stempelet gitt av:

Siden produktet Adx er en volumdifferensial dV, er dW = pdV. Det gjenstår å integrere begge sider fra det første volumet V _A til det endelige volumet V _{B for} å oppnå det totale arbeidet som er utført av gassen:

Hvis ΔV er positiv, ekspanderer gassen, og det motsatte skjer når ΔV er negativ. Trykket kontra volumgrafen (PV-diagram) for den isobariske prosessen er en horisontal linje som forbinder tilstandene A og B, og arbeidet som utføres tilsvarer ganske enkelt det rektangulære området under kurven.

eksperimenter

Situasjonen som er beskrevet blir verifisert eksperimentelt ved å innelukke en gass inne i en sylinder forsynt med et bevegelig stempel, som vist i figur 2 og 3. En vekt av masse M er plassert på stempelet, hvis vekt er rettet nedover, mens gassen den utøver en kraft oppover takket være trykket P det produserer på stempelet.

Figur 2. Eksperiment som består i å utvide en lukket gass ved konstant trykk. Kilde: F. Zapata.

Siden stemplet er i stand til å bevege seg fritt, kan volumet som gassen opptar endre seg uten problemer, men trykket forblir konstant. Tilsetting av atmosfæretrykket P _atm , som også utøver en nedadgående kraft, har vi:

Derfor: P = (Mg / A) + P _atm varierer ikke, med mindre M er modifisert og dermed vekten. Ved å tilføre varme til sylinderen, vil gassen utvide seg ved å øke volumet, eller den vil trekke seg sammen når varmen fjernes.

Isobariske prosesser i den ideelle gassen

Den ideelle gassligningen av tilstanden relaterer variablene av betydning: trykk P, volum V og temperatur T:

Her representerer n antall mol og R er den ideelle gasskonstanten (gyldig for alle gasser), som beregnes ved å multiplisere Boltzmanns konstant med Avogadros antall, noe som resulterer i:

R = 8,31 J / mol K

Når trykket er konstant, kan tilstandens ligning skrives som:

Men nR / P er konstant, siden n, R og P er. Så når systemet går fra delstat 1 til delstat 2, oppstår følgende andel, også kjent som Karls lov:

Figur 3. Animasjon som viser gassekspansjon ved konstant trykk. Til høyre grafen for volumet som en funksjon av temperatur, som er en linje. Kilde: Wikimedia Commons. NASAs Glenn Research Center.

Ved å erstatte i W = PΔV, får vi arbeidet som er gjort for å gå fra tilstand 1 til 2, når det gjelder konstantene og temperaturvariasjonen, lett å måle med et termometer:

Dette betyr at å tilsette en viss mengde varme Q til gassen øker den indre energien ∆U og øker vibrasjonene i dens molekyler. På denne måten ekspanderer gassen og fungerer ved å flytte stemplet, som vi har sagt før.

I en monatomisk ideell gass og variasjonen av den indre energien ∆U, som inkluderer både den kinetiske energien og den potensielle energien til dens molekyler, er:

Til slutt kombinerer vi uttrykkene vi har fått til et:

Alternativt Q kan omskrives uttrykt ved masse m, temperaturforskjell, og en ny konstant kalt spesifikk varme for gass ved konstant trykk, forkortet c _p_, hvis enheter er J / mol K:

eksempler

Ikke alle isobariske prosesser utføres i lukkede containere. Faktisk forekommer utallige termodynamiske prosesser av alle slag ved atmosfæretrykk, så isobariske prosesser er veldig hyppige i naturen. Dette inkluderer fysiske og kjemiske endringer på jordens overflate, kjemiske reaksjoner i karer som er åpne for atmosfæren, og mye mer.

For at isobariske prosesser skal skje i lukkede systemer, må deres grenser være fleksible nok til å tillate volumendringer uten varierende trykk.

Dette var det som skjedde i eksperimentet med stempelet som beveget seg lett når gassen ekspanderte. Det er det samme ved å omslutte en gass i en festballong eller en luftballong.

Her har vi flere eksempler på isobariske prosesser:

Kok opp vann og la koke

Kokende vann til te eller kokesauser i åpne beholdere er gode eksempler på isobariske prosesser, siden de alle foregår ved atmosfæretrykk.

Når vannet varmes opp, øker temperaturen og volumet, og hvis varmen fortsetter å tilføres, blir kokepunktet til slutt nådd, der faseendringen av vannet fra væske til vanndamp oppstår. Mens dette skjer, forblir temperaturen også konstant ved 100 ºC.

Frys vannet

På den annen side er frysevann også en isobarisk prosess, enten det foregår i en innsjø om vinteren eller hjemmekjøleskapet.

Varme opp en ballong fylt med luft i solen

Et annet eksempel på en isobarisk prosess er endringen i volumet av en ballong oppblåst med luft når den blir stående utsatt for solen. Først om morgenen, når den ikke er veldig varm ennå, har ballongen et visst volum.

Når tiden går og temperaturen øker, varmes også ballongen opp, og øker volumet, og alt dette skjer ved konstant trykk. Materialet i ballongen er et godt eksempel på en grense som er fleksibel nok slik at luften inni den, når den blir oppvarmet, utvides uten å endre trykket.

Opplevelsen kan også utføres ved å justere den uoppblåste ballongen i tuten til en glassflaske fylt med en tredjedel vann, som varmes opp i vannbad. Så snart vannet er oppvarmet, blåses ballongen opp umiddelbart, men du må være nøye med å ikke varme for mye slik at den ikke eksploderer.

Den aerostatiske ballongen

Det er et flytende skip uten fremdrift, som benytter seg av luftstrømmer for å transportere mennesker og gjenstander. Ballongen er vanligvis fylt med varm luft, som, når den er kjøligere enn den omkringliggende luften, stiger og utvides og får ballongen til å stige.

Selv om luftstrømmene styrer ballongen, har den brennere som aktiveres for å varme opp gassen når det er ønskelig å stige opp eller opprettholde høyden, og er deaktivert når den synker ned eller lander. Alt dette skjer ved atmosfæretrykk, antatt konstant i en viss høyde ikke langt fra overflaten.

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

kjeler

Damp genereres i kjeler ved å varme opp vann og opprettholde konstant trykk. Dampen utfører deretter nyttig arbeid, for eksempel å generere strøm i termoelektriske kraftverk eller betjene andre mekanismer som lokomotiver og vannpumper.

Løste øvelser

Oppgave 1

Du har 40 liter gass ved en temperatur på 27 ºC. Finn volumøkningen når varmen tilsettes isobarisk til den når 100 ºC.

Løsning

Charles's lov brukes til å bestemme det endelige volumet, men vær forsiktig: temperaturene må uttrykkes i Kelvin, bare å legge til 273 K til hver:

27 ºC = 27 + 273 K = 300 K

100 ºC = 100 + 273 K = 373 K

Fra:

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

Oppgave 2

En ideell gass leveres med 5,00 x 10 ³ J energi for å gjøre 2,00 x 10 ³ J arbeid med omgivelsene i en isobarisk prosess. Den ber om å finne:

a) Endringen i den indre energien til gassen.

b) Endring i volumet, hvis nå den indre energien synker med 4,50 x 10 ³ J og 7,50 x 10 ³ J blir utvist fra systemet, med tanke på et konstant trykk på 1,01 x 10 ⁵ Pa.

Løsning på

Vi bruker ∆U = Q - W og erstatter verdiene som er gitt i utsagnet: Q = 5,00 x 10 ³ J og W = 2,00 x 10 ³ J:

Uttalelsen sier at den indre energien avtar, derfor: ∆U = - 4,50 x 10 ³ J. Den forteller oss også at en viss mengde varme blir utvist: Q = -7,50 x 10 ³ J. I begge tilfeller skiltet negativ representerer reduksjon og tap, da:

Hvor P = 1,01 x 10 ⁵ Pa. Ettersom alle enhetene er i det internasjonale systemet, fortsetter vi å løse for volumendringen:

Siden volumendringen er negativ, betyr det at volumet gikk ned, det vil si at systemet trakk seg sammen.

referanser

Byjou er. Isobarisk prosess. Gjenopprettet fra: byjus.com.
Cengel, Y. 2012. Termodynamikk. 7. utgave. McGraw Hill.
Prosess xyz. Lær mer om den isobariske prosessen. Gjenopprettet fra: 10proceso.xyz.
Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentals of Physics. 9. utg. Læring.
Wikipedia. Gasslover. Gjenopprettet fra: es.wikipedia.org.

ISOBARISK PROSESS: FORMLER, LIKNINGER, EKSPERIMENTER, ØVELSER - FYSISK - 2024