IZOBARICKÝ PROCES: VZORCE, ROVNICE, EXPERIMENTY, CVIČENIA - FYZICKÝ - 2026

V izobarickom procese sa tlak P systému udržuje konštantný. Predpona „iso“ pochádza z gréčtiny a používa sa na označenie, že niečo zostáva konštantné, zatiaľ čo „baros“, tiež z gréčtiny, znamená váhu.

Izobarické procesy sú veľmi typické tak v uzavretých kontajneroch, ako aj na otvorenom priestranstve a dajú sa ľahko nájsť v prírode. To znamená, že sú možné fyzikálne a chemické zmeny na zemskom povrchu alebo chemické reakcie v nádobách otvorených atmosfére.

Obrázok 1. Izobarický proces: modrá vodorovná čiara je izobar, čo znamená konštantný tlak. Zdroj: Wikimedia Commons.

Niektoré príklady sa získajú zahrievaním balóna naplneného vzduchom na slnku, varením, varom alebo mrazom vody, parou generovanou v bojleroch alebo procesom zvyšovania teplovzdušného balónu. Tieto prípady vysvetlíme neskôr.

Vzorec a rovnice

Odvodme rovnicu pre izobarický proces za predpokladu, že skúmaný systém je ideálny plyn, model celkom vhodný pre takmer akýkoľvek plyn pri tlaku nižšom ako 3 atmosféry. Ideálne častice plynu sa pohybujú náhodne a zaberajú celý objem priestoru, ktorý ich obsahuje, bez vzájomného pôsobenia.

Ak sa ideálny plyn uzavretý vo valci vybavenom pohyblivým piestom nechá expandovať pomaly, dá sa predpokladať, že jeho častice sú stále v rovnováhe. Potom plyn pôsobí na piest oblasti A s veľkosťou sily F:

Kde p je tlak plynu. Táto sila pracuje tak, že v pieste vytvára infinitesimálne posunutie dx dané:

Pretože produkt Adx je objemový rozdiel dV, potom dW = pdV. Zostáva integrovať obe strany od pôvodného objemu V _A do konečného objemu V _B, aby sa získala celková práca vykonaná plynom:

Ak je ΔV kladné, plyn expanduje a opak sa stane, keď je záporné ΔV. Graf závislosti tlaku na objeme (PV diagram) izobarického procesu je horizontálnou čiarou spájajúcou stavy A a B a vykonaná práca sa jednoducho rovná obdĺžnikovej oblasti pod krivkou.

pokusy

Opísaná situácia je experimentálne overená zadržaním plynu vo valci vybavenom pohyblivým piestom, ako je znázornené na obrázkoch 2 a 3. Na piest sa umiestni závažie hmoty M, ktorého hmotnosť je nasmerovaná nadol, zatiaľ čo plyn Vyvíja vzostupnú silu vďaka tlaku P, ktorý vytvára na piest.

Obrázok 2. Experiment, ktorý spočíva v expanzii uzavretého plynu pri konštantnom tlaku. Zdroj: F. Zapata.

Pretože sa piest môže voľne pohybovať, objem plynu, ktorý zaberá, sa môže bez problémov meniť, ale tlak zostáva konštantný. Pridaním atmosferického tlaku P _atm , ktorý tiež pôsobí na klesajúcu silu, máme:

Preto: P = (Mg / A) + P _atm sa nemení, pokiaľ nie je modifikované M, a teda hmotnosť. Pridaním tepla do valca sa plyn rozširuje zväčšovaním jeho objemu alebo sa sťahuje, keď sa teplo odvádza.

Izobarické procesy v ideálnom plyne

Ideálna plynová rovnica stavu sa týka dôležitých premenných: tlak P, objem V a teplota T:

Tu n predstavuje počet mólov a R je ideálna plynová konštanta (platí pre všetky plyny), ktorá sa vypočíta vynásobením Boltzmannovej konštanty číslom Avogadra, čo má za následok:

R = 8,31 J / mol K

Ak je tlak konštantný, stavová rovnica sa dá zapísať ako:

Ale nR / P je konštantná, pretože n, R a P sú. Keď teda systém prechádza zo stavu 1 do stavu 2, vzniká tento pomer, známy tiež ako Karlov zákon:

Obrázok 3. Animácia ukazujúca expanziu plynu pri konštantnom tlaku. Vpravo graf objemu ako funkcie teploty, ktorá je čiarou. Zdroj: Wikimedia Commons. Glenn Research Center agentúry NASA.

Nahradením vo W = PΔV sa práca vykonaná na prechod zo stavu 1 do 2 získa, pokiaľ ide o konštanty a kolísanie teploty, ľahko merateľná teplomerom:

To znamená, že pridanie určitého množstva tepla Q do plynu zvyšuje vnútornú energiu ∆U a zvyšuje vibrácie jeho molekúl. Týmto spôsobom sa plyn rozširuje a pracuje tak, že pohybuje piestom, ako sme už povedali.

V ideálnom monatomickom plyne a kolísaní vnútornej energie ∆U, ktorá zahŕňa kinetickú energiu aj potenciálnu energiu svojich molekúl, je:

Nakoniec skombinujeme výrazy, ktoré sme získali, do jedného:

Alternatívne možno Q prepisovať z hľadiska hmotnosti m, teplotného rozdielu a novej konštanty nazývanej špecifické teplo plynu pri konštantnom tlaku, skrátene c _{p ,} ktorého jednotky sú J / mol K:

Príklady

Nie všetky izobarické procesy sa vykonávajú v uzavretých nádobách. V skutočnosti sa pri atmosférickom tlaku vyskytuje nespočetné množstvo termodynamických procesov všetkého druhu, takže izobarické procesy sú v prírode veľmi časté. Patria sem fyzikálne a chemické zmeny na zemskom povrchu, chemické reakcie v nádobách otvorených atmosfére a oveľa viac.

Aby sa izobarické procesy mohli vyskytovať v uzavretých systémoch, musia byť ich hranice dostatočne flexibilné, aby umožnili zmeny objemu bez zmeny tlaku.

To sa stalo pri experimente s piestom, ktorý sa ľahko pohyboval, keď sa plyn rozširoval. To isté platí aj pre uzavretie plynu v párty balóne alebo teplovzdušnom balóne.

Tu uvádzame niekoľko príkladov izobarických procesov:

Varte vodu a varte

Varná voda na čaj alebo omáčky na varenie v otvorených nádobách je dobrým príkladom izobarických procesov, pretože sa všetky vyskytujú pri atmosférickom tlaku.

Keď sa voda zohreje, teplota a objem sa zvyšujú a ak sa ďalej dodáva teplo, nakoniec sa dosiahne bod varu, pri ktorom dôjde k fázovej zmene vody z kvapaliny na vodnú paru. Aj keď k tomu dôjde, teplota zostáva konštantná aj na 100 ° C.

Zmrazte vodu

Na druhej strane, mrznúca voda je tiež izobarickým procesom, či už ide o jazero v zime alebo domácu chladničku.

Kúrenie balón naplnený vzduchom na slnku

Ďalším príkladom izobarického procesu je zmena objemu nafúknutého balónu vzduchom, keď je ponechaný vystavený slnečnému žiareniu. Prvá vec, keď ráno nie je ešte príliš horúca, má určitý objem.

Ako čas plynie a teplota stúpa, balónik sa tiež zahrieva, čím sa zvyšuje jeho objem a to všetko pri konštantnom tlaku. Materiál balónika je dobrým príkladom ohraničenia, ktoré je dostatočne flexibilné, takže vzduch v ňom, keď je zahrievaný, expanduje bez zmeny tlaku.

Skúsenosti sa môžu tiež vykonať úpravou nafúknutého balónika v výtoku zo sklenenej fľaše naplnenej tretinou vody, ktorá sa zahrieva vo vodnom kúpeli. Hneď ako sa voda zohreje, balón sa nafúkne okamžite, je však potrebné dbať na to, aby sa príliš nezohrialo, aby nedošlo k výbuchu.

Aerostatický balón

Je to plávajúca loď bez pohonu, ktorá využíva vzduchové prúdy na prepravu osôb a predmetov. Balón je zvyčajne naplnený horúcim vzduchom, ktorý je chladnejší ako okolitý vzduch, stúpa a rozširuje sa a spôsobuje stúpanie balónika.

Aj keď vzduchové prúdy smerujú do balóna, majú horáky, ktoré sú aktivované na zahrievanie plynu, keď je potrebné stúpať alebo udržiavať nadmorskú výšku, a sú deaktivované pri klesaní alebo pristávaní. To všetko sa deje pri atmosférickom tlaku, ktorý sa považuje za konštantný v určitej výške neďaleko od povrchu.

Obrázok 4. Teplovzdušné balóny. Zdroj: Pixabay.

bojlery

Para sa vytvára v kotloch zohrievaním vody a udržiavaním konštantného tlaku. Táto para potom vykonáva užitočnú prácu, napríklad výrobu elektriny v termoelektrických elektrárňach alebo prevádzkovanie iných mechanizmov, ako sú lokomotívy a vodné čerpadlá.

Riešené cvičenia

Cvičenie 1

Máte 40 litrov plynu pri teplote 27 ° C. Ak sa izobaricky pridá teplo, nájdite zvýšenie objemu, až kým nedosiahnete 100 ° C.

Riešenie

Na určenie konečného objemu sa používa Charlesov zákon, ale buďte opatrní: teploty sa musia vyjadrovať v kelvinoch, pričom do každého sa pridá iba 273 K:

27 ° C = 27 + 273 K = 300 K

100 ° C = 100 + 273 K = 373 K

od:

Nakoniec je zvýšenie objemu V ₂ - V ₁ = 49,7 L - 40 L = 9,7 L.

Cvičenie 2

Ideálny plyn je dodávaný s 5,00 x 10 ³ J energie robiť 2,00 x 10 ³ J práce na svoje okolie v izobarického procese. Žiada, aby sa našlo:

a) Zmena vnútornej energie plynu.

b) zmena objemu, pokiaľ sa vnútorná energia zníži o 4,50 x 10 ^3, J a 7,50 x 10 ³ J sú vylúčení zo systému, s ohľadom na konštantný tlak 1,01 x 10 ⁵ Pa.

Riešenie

AU = Q - W sa používa a hodnoty uvedené v príkaze sú substituované: Q = 5,00 x 10 ³ J a W = 2,00 x 10 ³ J:

Vyhlásenie uvádza, že vnútorná energia sa preto znižuje: ∆U = - 4,50 x 10 ³ J. Tiež nám hovorí, že určité množstvo tepla je vylúčené: Q = -7,50 x 103 ³ J. V oboch prípadoch je označenie záporný predstavuje pokles a stratu, potom:

Kde P = 1,01 x 10 ⁵ Pa. Keďže všetky jednotky sú v medzinárodnom systéme, pristúpime k riešeniu zmeny objemu:

Pretože zmena objemu je negatívna, znamená to, že objem sa znížil, to znamená, že systém sa zmenil.

Referencie

1. Byjou to. Izobarický proces. Obnovené z: byjus.com.
2. Cengel, Y. 2012. Termodynamika. 7. vydanie. McGraw Hill.
3. Proces xyz. Prečítajte si viac informácií o izobarickom procese. Obnovené z: 10proceso.xyz.
4. Serway, R., Vulle, C. 2011. Základy fyziky. 9. vydanie Cengage Learning.
5. Wikipedia. Plynové zákony. Obnovené z: es.wikipedia.org.