ИЗОБАРИЧЕН ПРОЦЕС: ФОРМУЛИ, УРАВНЕНИЯ, ЕКСПЕРИМЕНТИ, УПРАЖНЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

При изобарен процес налягането Р на системата се поддържа постоянно. Префиксът "iso" идва от гръцкия и се използва за означаване, че нещо остава постоянно, докато "baros", също от гръцки, означава тегло.

Изобаричните процеси са много характерни както в затворени контейнери, така и в открити пространства, като е лесно да ги намерите в природата. Под това имаме предвид, че са възможни физически и химични промени на земната повърхност или химични реакции в съдове, отворени за атмосферата.

Фигура 1. Изобаричен процес: синята хоризонтална линия е изобар, което означава постоянно налягане. Източник: Wikimedia Commons.

Някои примери са получени чрез нагряване на балон, напълнен с въздух на слънце, готвене, вряща или замръзваща вода, парата, генерирана в котлите, или процеса на издигане на балон с горещ въздух. Ще дадем обяснение на тези случаи по-късно.

Формула и уравнения

Нека извлечем уравнение за изобарния процес, приемайки, че изследваната система е идеален газ, модел, доста подходящ за почти всеки газ при налягане под 3 атмосфери. Идеалните газови частици се движат произволно, заемайки целия обем от пространството, което ги съдържа, без да взаимодействат помежду си.

Ако идеалният газ, затворен в цилиндър, снабден с подвижно бутало, се оставя да се разширява бавно, може да се предположи, че неговите частици са в равновесие по всяко време. Тогава газът упражнява върху буталото в зона A сила F с величина:

Където p е налягането на газа. Тази сила върши работа, произвеждайки безкрайно минимално преместване dx в буталото, дадено от:

Тъй като продуктът Adx е диференциален обем dV, тогава dW = pdV. Остава да се интегрират двете страни от първоначалния обем V _A до крайния обем V _{B, за} да се получи общата работа, извършена от газа:

Ако ΔV е положителен, газът се разширява и обратното се случва, когато ΔV е отрицателно. Графиката на налягането спрямо обема (PV диаграмата) на изобарния процес е хоризонтална линия, свързваща състояния A и B, и извършената работа просто се равнява на правоъгълната зона под кривата.

Експерименти

Описаната ситуация се проверява експериментално чрез ограничаване на газ вътре в цилиндър, снабден с подвижно бутало, както е показано на фигури 2 и 3. Тегло с маса M се поставя върху буталото, теглото на което е насочено надолу, докато газът тя упражнява възходяща сила благодарение на налягането P, което създава върху буталото.

Фигура 2. Експеримент, който се състои в разширяване на ограничен газ при постоянно налягане. Източник: Ф. Сапата.

Тъй като буталото е в състояние да се движи свободно, обемът, който газът заема, може да се промени без проблем, но налягането остава постоянно. Като прибавим и атмосферното налягане P _atm, което също упражнява низходяща сила, имаме:

Следователно: P = (Mg / A) + P _atm не варира, освен ако M е модифициран и по този начин теглото. Чрез добавяне на топлина към цилиндъра, газът ще се разшири, като увеличи обема си или ще се свие, когато топлината се отделя.

Изобарични процеси в идеалния газ

Уравнението на състоянието на идеалния газ свързва променливите по важност: налягане P, обем V и температура T:

Тук n представлява броя молове, а R е идеалната константа на газ (валидна за всички газове), която се изчислява чрез умножаване на константата на Болтцман по числото на Avogadro, което води до:

R = 8,31 J / mol K

Когато налягането е постоянно, уравнението на състоянието може да бъде записано като:

Но nR / P е постоянна, тъй като n, R и P са. И така, когато системата преминава от състояние 1 в състояние 2, възниква следната пропорция, известна още като закон на Чарлз:

Фигура 3. Анимация, показваща разширяване на газа при постоянно налягане. Вдясно графиката на обема като функция на температурата, която е линия. Източник: Wikimedia Commons. Изследователски център на Глена на НАСА

Замествайки W = PΔV, работата, извършена за преминаване от състояние 1 до 2, се получава по отношение на константи и температурни колебания, лесни за измерване с термометър:

Това означава, че добавянето на определено количество топлина Q към газа увеличава вътрешната енергия ∆U и увеличава вибрациите на неговите молекули. По този начин газът се разширява и върши работа, като движим буталото, както казахме преди.

В монотомен идеален газ и изменението на вътрешната енергия ∆U, която включва както кинетичната енергия, така и потенциалната енергия на нейните молекули, е:

Накрая комбинираме изразите, които получаваме, в едно:

Алтернативно Q може да се пренапише по отношение на масата m, температурната разлика и нова константа, наречена специфична топлина на газ при постоянно налягане, съкратено c _p , чиито единици са J / mol K:

Примери

Не всички изобарични процеси се извършват в затворени контейнери. Всъщност безброй термодинамични процеси от всякакъв вид протичат при атмосферно налягане, така че изобарните процеси са много чести по природа. Това включва физически и химични промени на земната повърхност, химически реакции в открити за атмосферата съдове и много други.

За да се наблюдават изобарични процеси в затворени системи, техните граници трябва да са достатъчно гъвкави, за да позволят промени в обема без промяна на налягането.

Това се случи при експеримента на буталото, което се движеше лесно, докато газът се разширяваше. Същото е, като затворите газ в балон за парти или горещ въздушен балон.

Тук имаме няколко примера за изобарични процеси:

Кипнете вода и гответе

Кипящата вода за чай или сосове за готвене в открити контейнери са добри примери за изобарни процеси, тъй като всички те протичат при атмосферно налягане.

Докато водата се нагрява, температурата и обемът се увеличават и ако топлината продължава да се добавя, най-накрая се достига точката на кипене, при която става фазовата промяна на водата от течна в водна пара. Докато това се случва, температурата също остава постоянна на 100 ° C.

Замразете водата

От друга страна, замръзването на водата също е изобарен процес, независимо дали става в езеро през зимата или в домашния хладилник.

Загряване на балон, напълнен с въздух на слънце

Друг пример за изобарен процес е промяната в обема на балон, надут с въздух, когато се остави изложен на слънцето. Първо нещо сутрин, когато все още не е много горещо, балонът има определен обем.

С течение на времето и температурата се увеличава, балонът също се загрява, увеличавайки обема си и всичко това става при постоянно налягане. Материалът на балона е добър пример за граница, която е достатъчно гъвкава, така че въздухът вътре в него, когато се нагрява, се разширява, без да променя налягането.

Опитът може да се осъществи и чрез регулиране на незаразения балон в чучура на стъклена бутилка, напълнена с една трета вода, която се нагрява на водна баня. Веднага след като водата се нагрее, балонът се надува веднага, но трябва да се внимава да не се нагрява прекалено много, за да не избухне.

Аеростатичният балон

Това е плаващ кораб без задвижване, който използва въздушни течения за превоз на хора и предмети. Балонът обикновено се пълни с горещ въздух, който, бидейки по-хладен от заобикалящия го въздух, се издига и разширява, предизвиквайки издигането на балона.

Въпреки че въздушните течения насочват балона, той има горелки, които се активират за загряване на газ, когато искате да се изкачите или поддържате надморска височина, и се деактивират при спускане или кацане. Всичко това се случва при атмосферно налягане, приемано за постоянно на определена височина недалеч от повърхността.

Фигура 4. Балони с горещ въздух. Източник: Pixabay

Котли

Парата се генерира в котлите чрез загряване на вода и поддържане на постоянно налягане. След това тази пара изпълнява полезна работа, например за производство на електроенергия в термоелектрически централи или за работа с други механизми като локомотиви и водни помпи.

Решени упражнения

Упражнение 1

Имате 40 литра газ при температура 27 ºC. Намерете увеличението на обема при добавяне на топлина изобарично до достигане на 100 ºC.

Решение

Законът на Чарлз се използва за определяне на крайния обем, но внимавайте: температурите трябва да бъдат изразени в Келвин, като само към тях се добавя 273 К:

27 ºC = 27 + 273 K = 300 K

100 ºC = 100 + 273 K = 373 K

От:

Накрая увеличението на обема е V ₂ - V ₁ = 49,7 L - 40 L = 9,7 L.

Упражнение 2

Идеалният газ се доставя с 5.00 х 10 ³ J енергия, за да се извърши 2.00 x 10 ³ J работа върху неговата околна среда в изобарен процес. Той иска да намери:

а) Промяната на вътрешната енергия на газа.

б) Промяната в обема, ако сега вътрешната енергия намалее с 4,50 x 10 ³ J и 7,50 x 10 ³ J се изгонват от системата, като се има предвид постоянно налягане от 1,01 x 10 ⁵ Па.

Решение за

∆U = Q - W се използват и стойностите, дадени в израза, са заместени: Q = 5.00 x 10 ³ J и W = 2.00 x 10 ³ J:

В изявлението се казва, че вътрешната енергия намалява, следователно: ∆U = - 4,50 x 10 ³ J. Освен това ни казва, че се отделя определено количество топлина: Q = -7,50 x 10 ³ J. И в двата случая знакът отрицателен представлява намаление и загуба, тогава

Където P = 1,01 x 10 ⁵ Па. Тъй като всички единици са в Международната система, продължаваме да решаваме за промяната в обема:

Тъй като промяната на силата на звука е отрицателна, това означава, че обемът е намалял, тоест системата се е свила.

Препратки

1. Byjou е. Изобаричен процес. Възстановено от: byjus.com.
2. Cengel, Y. 2012. Термодинамика. 7-мо издание. McGraw Hill.
3. Обработвайте xyz. Научете повече за изобарния процес. Възстановени от: 10proceso.xyz.
4. Serway, R., Vulle, C. 2011. Основи на физиката. 9-то издание.
5. Wikipedia. Газови закони. Възстановено от: es.wikipedia.org.