IZOBARINIS PROCESAS: FORMULĖS, LYGTYS, EKSPERIMENTAI, PRATIMAI - FIZINIS - 2024

Į izobarės proceso , slėgis P sistemos yra palaikomas pastovus. Priešdėlis „iso“ yra kilęs iš graikų kalbos ir yra naudojamas reikšti, kad kažkas išlieka pastovus, o „baros“, taip pat iš graikų kalbos, reiškia svorį.

Izobariniai procesai yra labai būdingi tiek uždaruose induose, tiek atvirose vietose, nes juos lengva nustatyti gamtoje. Turime omenyje, kad galimi fiziniai ir cheminiai žemės paviršiaus pokyčiai arba cheminės reakcijos induose, atviruose atmosferoje.

1 pav. Izobarinis procesas: mėlyna horizontali linija yra izobar, o tai reiškia pastovų slėgį. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Kai kurie pavyzdžiai gaunami kaitinant oro balioną, užpildytą saulėje, virinant, verdant ar užšaldant vandenį, katiluose susidarantį garą arba karšto oro baliono pakėlimo procesą. Vėliau pateiksime šių atvejų paaiškinimą.

Formulė ir lygtys

Išleiskime izobarinio proceso lygtį, darant prielaidą, kad tiriamoji sistema yra idealios dujos, modelis, gana tinkamas beveik visoms dujoms, kurių slėgis mažesnis kaip 3 atmosferos. Idealios dujų dalelės juda atsitiktinai, užimdamos visą erdvės, kurioje jos yra, tūrį, nesąveikaudamos viena su kita.

Jei idealiosioms dujoms, uždarytoms cilindre, kuriame įrengtas kilnojamasis stūmoklis, leidžiama lėtai plisti, galima manyti, kad jo dalelės visą laiką yra pusiausvyroje. Tada dujos veikia A srities stūmoklį F dydžio jėga:

Čia p yra dujų slėgis. Ši jėga veikia taip, kad stūmoklyje būtų sukurtas neribotas mažiausias poslinkis dx, kurį lemia:

Kadangi produktas Adx yra tūrio skirtumas dV, tada dW = pdV. Lieka integruoti abi puses nuo pradinio tūrio V _A iki galutinio tūrio V _B, kad būtų gautas visas dujų darbas:

Jei ΔV yra teigiamas, dujos išsiplečia, o kai ΔV yra neigiamos, atsitinka priešingai. Izobarinio proceso slėgio ir tūrio grafikas (PV diagrama) yra horizontali linija, jungianti A ir B būsenas, o atliktas darbas paprasčiausiai lygus stačiakampio plotui po kreive.

Eksperimentai

Apibūdinta situacija patikrinama eksperimento būdu uždarant dujas cilindro viduje, turinčiame kilnojamąjį stūmoklį, kaip parodyta 2 ir 3 paveiksluose. Ant stūmoklio uždedama masė M, kurios svoris nukreiptas žemyn, o dujos dėl stūmoklio sukuriamo slėgio P jis veikia aukštyn kylančią jėgą.

2 pav. Eksperimentas, kurį sudaro uždaros dujos išplečiamos esant pastoviam slėgiui. Šaltinis: F. Zapata.

Kadangi stūmoklis gali laisvai judėti, dujų užimamas tūris gali keistis be problemų, tačiau slėgis išlieka pastovus. Pridedant atmosferos slėgį P _atm , kuris taip pat veikia žemyn nukreiptą jėgą, turime:

Todėl: P = (Mg / A) + P _atm nesikeičia, nebent M yra modifikuotas, taigi ir svoris. Įpildami į cilindrą šilumą, dujos išsiplės padidindamos jų tūrį arba susitraukinės, kai šiluma bus pašalinta.

Izobariniai procesai idealiose dujose

Idealioji dujų būsenos lygtis susieja svarbumo kintamuosius: slėgis P, tūris V ir temperatūra T:

Čia n reiškia molių skaičių, o R yra idealioji dujų konstanta (galioja visoms dujoms), kuri apskaičiuojama padauginus Boltzmanno konstantą iš Avogadro skaičiaus, gaunant:

R = 8,31 J / mol K

Kai slėgis yra pastovus, būsenos lygtį galima parašyti taip:

Bet nR / P yra pastovus, nes n, R ir P yra. Taigi kai sistema pereina iš 1 būsenos į 2 būseną, susidaro tokia proporcija, dar vadinama Charleso įstatymu:

3 pav. Animacija, rodanti dujų plėtimąsi esant pastoviam slėgiui. Dešinėje yra tūrio ir temperatūros grafikas, kuris yra linija. Šaltinis: „Wikimedia Commons“. NASA Glenno tyrimų centras.

Pakaitomis W = PΔV gaunamas darbas pereiti nuo 1 iki 2 būklės, atsižvelgiant į konstantas ir temperatūros pokyčius, lengvai išmatuojamas termometru:

Tai reiškia, kad pridedant tam tikrą kiekį šilumos Q prie dujų, padidėja vidinė energija ∆U ir padidėja jų molekulių virpesiai. Tokiu būdu dujos išsiplečia ir veikia judindamos stūmoklį, kaip mes jau minėjome anksčiau.

Esant monatominėms idealioms dujoms ir vidinės energijos ∆U variacijai, apimančiai ir kinetinę energiją, ir potencialią jų molekulių energiją, yra:

Galiausiai sujungiame gautas išraiškas į vieną:

Kaip alternatyva Q galima perrašyti pagal masę m, temperatūrų skirtumą ir naują konstantą, vadinamą savita dujų šiluma esant pastoviam slėgiui, sutrumpintai c _{p ,} kurios vienetai yra J / mol K:

Pavyzdžiai

Ne visi izobariniai procesai vyksta uždaruose induose. Tiesą sakant, atmosferos slėgyje vyksta nesuskaičiuojami termodinaminiai procesai, todėl izobariniai procesai yra labai dažni. Tai apima fizinius ir cheminius Žemės paviršiaus pokyčius, chemines reakcijas induose, atviruose atmosferai, ir daug daugiau.

Kad izobariniai procesai vyktų uždarose sistemose, jų ribos turi būti pakankamai lanksčios, kad tūris galėtų pakisti nepakitus slėgiui.

Taip nutiko stūmoklio eksperimente, kuris lengvai judėjo, plečiantis dujoms. Tai tas pats, uždarant dujas į vakarėlio balioną arba karšto oro balioną.

Čia yra keletas izobarinių procesų pavyzdžių:

Užvirkite vandenį ir virkite

Geriamas arbatos ar virimo padažų vanduo atvirose talpyklose yra puikūs izobarinių procesų pavyzdžiai, nes visi jie vyksta atmosferos slėgyje.

Vandeniui kaitinant, temperatūra ir tūris didėja, o jei ir toliau pridedama šiluma, pagaliau pasiekiama virimo temperatūra, kurioje įvyksta vandens fazės pokytis iš skysčio į vandens garus. Kol tai vyksta, temperatūra taip pat išlieka pastovi - 100ºC.

Užšaldykite vandenį

Kita vertus, vandens užšalimas taip pat yra izobarinis procesas, nesvarbu, ar tai vyksta ežere žiemą, ar namų šaldytuve.

Šildykite oro balioną, užpildytą saulėje

Kitas izobarinio proceso pavyzdys yra oro pripūstos baliono tūrio pokytis, kai jis paliekamas saulės spindulių. Pirmas dalykas, ryte, kai dar nėra labai karšta, balionas turi tam tikrą tūrį.

Laikui bėgant ir didėjant temperatūrai, oro balionas taip pat įkaista, didėja jo tūris ir visa tai vyksta esant pastoviam slėgiui. Baliono medžiaga yra geras pakankamai lanksčios ribos pavyzdys, kad oras jo viduje, kaitinant, plečiasi nekeisdamas slėgio.

Patirtį taip pat galima panaudoti pritaikant neuždengtą balioną stiklinio butelio, užpildyto trečdaliu vandens, snapelyje, kuris kaitinamas vandens vonioje, snapelyje. Kai tik vanduo įkaista, balionas iškart pripūstas, tačiau reikia stengtis per daug nešildyti, kad jis nesprogtų.

Aerostatinis balionas

Tai plūduriuojantis laivas be varomosios jėgos, kuris naudoja oro sroves žmonėms ir daiktams gabenti. Balionas paprastai užpildomas karštu oru, kuris, būdamas vėsesnis už aplinkinį orą, pakyla ir plečiasi, todėl balionas kyla.

Nors oro srovės nukreipia oro balioną, jame yra degikliai, kurie įjungiami šildyti dujas, kai norima pakilti ar išlaikyti aukštį, ir yra išjungiami nusileidžiant ar tūpiant. Visa tai vyksta esant atmosferos slėgiui, laikomam pastoviu tam tikrame aukštyje, ne toli nuo paviršiaus.

4 pav. Karšto oro balionai. Šaltinis: „Pixabay“.

Katilai

Garai katiluose sukuriami kaitinant vandenį ir palaikant pastovų slėgį. Tada šis garas atlieka naudingą darbą, pavyzdžiui, generuoja elektrą termoelektrinėse arba naudoja kitus mechanizmus, tokius kaip lokomotyvai ir vandens siurbliai.

Išspręsta mankšta

1 pratimas

Jūs turite 40 litrų dujų, kurių temperatūra 27 ºC. Raskite tūrio padidėjimą, kai šiluma pridedama izobariškai, kol pasiekiama 100 ºC.

Sprendimas

Galutiniam tūriui nustatyti naudojamas Karolio dėsnis, tačiau būkite atsargūs: temperatūra turi būti išreikšta kelvinu, pridedant 273 K kiekvienam:

27 ºC = 27 + 273 K = 300 K

100 ºC = 100 + 273 K = 373 K

Iš:

Pagaliau tūrio padidėjimas yra V ₂ - V ₁ = 49,7 L - 40 L = 9,7 L.

2 pratimas

Idealios dujos tiekiamos su 5,00 x 10 ³ J energijos , kad izobariniame procese būtų galima atlikti 2,00 x 10 ³ J darbą su aplinka. Jame prašoma surasti:

a) Dujų vidaus energijos pokytis.

b) Tūrio pokytis, jei vidinė energija sumažėja 4,50 x 10 ³ J, o 7,50 x 10 ³ J yra pašalinami iš sistemos, atsižvelgiant į pastovų 1,01 x 10 ⁵ Pa slėgį .

Sprendimas

∆U = Q - W naudojami ir teiginyje pateiktos vertės pakeičiamos: Q = 5,00 x 10 ³ J ir W = 2,00 x 10 ³ J:

Pareiškime teigiama, kad vidinė energija mažėja, todėl: ∆U = - 4,50 x 10 ³ J. Taip pat mums sakoma, kad išsiskiria tam tikras šilumos kiekis: Q = -7,50 x 10 ³ J. Abiem atvejais ženklas neigiamas reiškia sumažėjimą ir praradimą, tada:

Kur P = 1,01 x 10 ⁵ Pa. Kadangi visi vienetai yra tarptautinėje sistemoje, mes imamės sprendimo dėl tūrio pokyčių:

Kadangi tūrio pokytis yra neigiamas, tai reiškia, kad tūris sumažėjo, tai yra, sistema susitraukė.

Nuorodos

1. Byjou's. Izobarinis procesas. Atgauta iš: byjus.com.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamika. 7-asis leidimas. McGraw Hill.
3. Procesas xyz. Sužinokite daugiau apie izobarinį procesą. Atkurta iš: 10proceso.xyz.
4. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fizikos pagrindai. 9-asis leidimas „Cengage“ mokymasis.
5. Vikipedija. Dujų įstatymai. Atkurta iš: es.wikipedia.org.