IZOBARIKUS FOLYAMAT: KÉPLETEK, EGYENLETEK, KÍSÉRLETEK, GYAKORLATOK - FIZIKAI - 2025

Egy izobár, a P nyomást egy olyan rendszer állandó értéken tartjuk. Az "iso" előtag a görög nyelvből származik, és arra utalnak, hogy valami állandó marad, míg a "baros", szintén a görög nyelven, súlyt jelent.

Az izobárikus folyamatok nagyon jellemzőek mind zárt tartályokban, mind nyílt terekben, mivel könnyen megtalálhatók a természetben. Ez alatt azt értjük, hogy a föld felszínén fizikai és kémiai változások vagy a légkör előtt nyitott edényekben a kémiai reakciók lehetségesek.

1. ábra: Izobárikus folyamat: a kék vízszintes vonal izobar, ami állandó nyomást jelent. Forrás: Wikimedia Commons.

Néhány példát a levegővel töltött ballon melegítésével, a víz főzésével, forralásával vagy fagyasztásával, a kazánokban előállított gőzzel vagy a hőlégballon megemelésével állíthatunk elő. Ezekről az esetekről később magyarázatot adunk.

Képlet és egyenletek

Vegyük le az izobár folyamat egyenletét, feltételezve, hogy a vizsgált rendszer ideális gáz, egy modell, amely szinte bármilyen gázra alkalmas, kevesebb mint 3 atmoszféra nyomáson. Az ideális gázrészecskék véletlenszerűen mozognak, és elfoglalják az őket tartalmazó tér teljes térfogatát anélkül, hogy kölcsönhatásba lépnének egymással.

Ha a mozgatható dugattyúval ellátott hengerbe zárt ideális gázt lassan szabadulni hagyjuk, akkor feltételezhető, hogy részecskéi mindig egyensúlyban vannak. Ezután a gáz az A terület dugattyújára F nagyságú erőt gyakorol:

Ahol p a gáz nyomása. Ez az erő úgy működik, hogy a dugattyú végtelen minimális elmozdulását eredményezi:

Mivel az Adx termék térfogat-különbség dV, akkor dW = pdV. A gáz teljes munkájának elérése érdekében mindkét oldal integrálása az eredeti V _A térfogattól a V _B végső térfogatig terjed:

Ha ΔV pozitív, akkor a gáz tágul, és ΔV negatív esetén fordítva történik. Az izobár folyamat nyomás / térfogat gráfja (PV diagram) egy vízszintes vonal, amely összeköti az A és B állapotot, és az elvégzett munka egyszerűen megegyezik a görbe alatti téglalap alakú területtel.

kísérletek

A leírt helyzetet kísérletileg igazoljuk úgy, hogy a henger belsejében egy gázt elmozgatunk egy mozgatható dugattyúval, amint az a 2. és 3. ábrán látható. felfelé irányuló erőt gyakorol a P nyomásnak, amelyet a dugattyúra gyakorol.

2. ábra: Kísérlet, amely egy zárt gáz állandó nyomáson történő kiterjesztését foglalja magában. Forrás: F. Zapata.

Mivel a dugattyú szabadon mozoghat, a gáz által elfoglalt térfogat probléma nélkül megváltozhat, de a nyomás állandó marad. Összeadva a légköri nyomást P _atm, amely szintén lefelé irányuló erőt gyakorol, a következőket kapjuk:

Ezért: P = (Mg / A) + P _atm nem változik, kivéve, ha M módosul, és így a tömeg. Ha hőt ad a hengerhez, a gáz térfogatának növekedésével bővül, vagy összehúzódik, amikor a hő eltávolításra kerül.

Izobarikus folyamatok az ideális gázban

Az állapot ideális gáz egyenlete a fontossági változókhoz kapcsolódik: P nyomás, V térfogat és T hőmérséklet:

Itt n képviseli a mólok számát, és R az ideális gázállandó (minden gáz esetében érvényes), amelyet úgy számítunk ki, hogy megszorozzuk a Boltzmann-konstansot az Avogadro-számmal, így:

R = 8,31 J / mol K

Ha a nyomás állandó, az állapot egyenletét így írhatjuk:

De nR / P állandó, mivel n, R és P jelentése. Tehát, amikor a rendszer az 1. állapotból a 2. állapotba kerül, a következő arány merül fel, amit Károly törvényének is neveznek:

3. ábra: A gáz expanzióját állandó nyomáson mutató animáció. A jobb oldalon a térfogat grafikonja a hőmérséklet függvényében, amely egy vonal. Forrás: Wikimedia Commons. A NASA Glenn Kutatóközpontja.

Helyettesítve W = PΔV-vel, megkapjuk az elvégzett munkát az 1-es és 2-es állapot közötti váltáshoz, az állandók és a hőmérséklet-változás szempontjából, amelyeket hőmérővel könnyen meg lehet mérni:

Ez azt jelenti, hogy egy bizonyos mennyiségű hő Q hozzáadása a gázhoz növeli az energyU belső energiát és növeli molekuláinak rezgéseit. Ilyen módon a gáz kibővül és működik a dugattyú mozgatásával, amint azt már említettük.

Egy monatomikus ideális gáz esetén és az energyU belső energia variációja, amely magában foglalja a molekulák kinetikai energiáját és potenciális energiáját is:

Végül egyesítjük a kapott kifejezéseket egybe:

Alternatív megoldásként a Q átírható m tömeg, hőmérsékleti különbség és egy új állandó segítségével, amelyet állandó nyomáson a gáz fajlagos hőjének nevezünk, rövidítve c _p , amelynek egysége J / mol K:

Példák

Nem minden izobár folyamat zajlik zárt tartályokban. Valójában számtalan termodinamikai folyamat zajlik légköri nyomáson, tehát az izobár folyamatok a természetben nagyon gyakoriak. Ez magában foglalja a Föld felületének fizikai és kémiai változásait, a légkör előtt nyitott edényekben zajló kémiai reakciókat és még sok minden mást.

Az izobár folyamatok zárt rendszerekben történő előfordulásához a határoknak elég rugalmasnak kell lenniük ahhoz, hogy a térfogatváltozás nyomásváltozás nélkül lehetővé váljon.

Ez történt a dugattyú kísérletében, amely könnyen mozog, ahogy a gáz kibővült. Ugyanez történik, ha egy gázt lezárnak egy ballonba vagy egy hőlégballonba.

Itt van néhány példa az izobár folyamatokra:

Forralunk vizet és főzzük

A tea vagy forró szószok forrásban lévő vízének nyitott tartályokban fő példája az izobár folyamatokra, mivel ezek mindegyike légköri nyomáson zajlik.

A víz melegítésekor a hőmérséklet és a térfogat növekszik, és ha továbbra is hozzáadódik a hő, akkor végül elérjük a forráspontot, amelyben a víz fázisa változik folyadékról vízgőzre. Amíg ez megtörténik, a hőmérséklet is állandó marad 100ºC-on.

Fagyasztja le a vizet

Másrészt a víz fagyasztása szintén izobár folyamat, függetlenül attól, hogy tóban zajlik-e télen vagy az otthoni hűtőszekrényben.

A levegővel töltött ballon melegítése a napon

Az izobár folyamat másik példája a légkörben felfújt léggömb térfogatának megváltozása, amikor azt napfénynek hagyják. Először reggel, amikor még nem túl meleg, a ballonnak van bizonyos térfogata.

Az idő múlásával és a hőmérséklet emelkedésével a ballon is felmelegszik, növelve annak térfogatát, és mindez állandó nyomáson megy végbe. A ballon anyaga jó példa egy olyan határra, amely elég rugalmas ahhoz, hogy a benne levegő melegítéskor a nyomás megváltoztatása nélkül kiszélesedjön.

A tapasztalat úgy is megvalósítható, hogy a be nem töltött ballont úgy állítják be, hogy a üvegfürdőben egy harmadnyi vizet töltsenek ki, amelyet egy vízfürdőben hevítenek. Amint a víz felmelegszik, a ballon azonnal felfújódik, de ügyelni kell arra, hogy ne melegítsen túl sokat, hogy ne robbantjon fel.

Az aerosztatikus ballon

Meghajtás nélküli úszó hajó, amely légáramot használ az emberek és tárgyak szállítására. A ballon általában forró levegővel van feltöltve, amely, mivel hidegebb, mint a környező levegő, felemelkedik és tágul, és a ballon felszáll.

Noha a légáramok a léggömböt irányítják, égőkkel vannak ellátva, amelyek aktiválódnak a gáz melegítéséhez, amikor kívánatos emelkedni vagy fenntartani a magasságot, és leereszkedéskor vagy leszálláskor kikapcsolnak. Mindez légköri nyomáson megy végbe, amelyet állandónak kell tekinteni egy bizonyos magasságban, nem messze a felülettől.

4. ábra. Hőlégballonok. Forrás: Pixabay.

Kazánok

A kazánokban gőz képződik a víz melegítésével és állandó nyomás fenntartásával. Ez a gőz hasznos munkát végez, például áramtermelést termoelektromos erőművekben vagy más mechanizmusok működtetését, például mozdonyokat és vízszivattyúkat.

Megoldott gyakorlatok

1. Feladat

40 liter gáz van 27 ° C hőmérsékleten. Keresse meg a térfogatnövekedést, ha hőt adnak izobár módon, amíg el nem éri a 100 ºC-ot.

Megoldás

A végső térfogat meghatározásához Charles törvényét alkalmazzák, de legyen óvatos: a hőmérsékleteket Kelvinben kell kifejezni, mindössze 273 K-t adva hozzá:

27 ° C = 27 + 273 K = 300 K

100 ° C = 100 + 273 K = 373 K

Tól től:

Végül a térfogatnövekedés V ₂ - V ₁ = 49,7 L - 40 L = 9,7 L.

2. gyakorlat

Az ideális gázhoz 5,00 x 10 ³ J energiát kell juttatni, hogy 2,00 x 10 ³ J munkát végezzen annak környékén egy izobár folyamatban. A következőt kéri:

a) A gáz belső energiájának változása.

b) A térfogatváltozás, ha most a belső energia 4,50 x 10 ³ J- mal csökken, és 7,50 x 10 ³ J kerül ki a rendszerből, figyelembe véve az állandó 1,01 x 10 ⁵ Pa nyomást.

Megoldás

∆U = Q - W kerül felhasználásra, és az állításban megadott értékek helyébe lépnek: Q = 5,00 x 10 ³ J és W = 2,00 x 10 ³ J:

Az állítás azt állítja, hogy a belső energia csökken, ezért: ∆U = - 4,50 x 10 ³ J. Azt is mondja nekünk, hogy egy bizonyos mennyiségű hő távozik: Q = -7,50 x 10 ³ J. Mindkét esetben a jel a negatív csökkenést és veszteséget jelent, akkor:

Ahol P = 1,01 x 10 ⁵ Pa. Mivel az összes egység a Nemzetközi Rendszerben van, folytatjuk a térfogatváltozás megoldását:

Mivel a hangerő változása negatív, ez azt jelenti, hogy a hangerő csökkent, vagyis a rendszer szerződött.

Irodalom

1. Byjou van. Izobarikus folyamat. Helyreállítva: byjus.com.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamika. 7. kiadás. McGraw Hill.
3. Folyamat xyz. Tudjon meg többet az izobár folyamatról. Helyreállítva: 10proceso.xyz.
4. Serway, R., Vulle, C. 2011. A fizika alapjai. 9. kiadás, Cengage tanulás.
5. Wikipedia. Gáz törvények. Helyreállítva: es.wikipedia.org.