IZOBĀRISKAIS PROCESS: FORMULAS, VIENĀDOJUMI, EKSPERIMENTI, VINGRINĀJUMI - FIZISKĀ - 2025

In isobaric procesā , spiediens P no sistēmas, tiek uzturēts. Prefikss "iso" nāk no grieķu valodas un tiek izmantots, lai apzīmētu, ka kaut kas paliek nemainīgs, bet "baros", arī no grieķu valodas, nozīmē svaru.

Izobāri procesi ir ļoti raksturīgi gan slēgtos traukos, gan atklātās telpās, ir viegli tos atrast dabā. Ar to mēs domājam, ka ir iespējamas fizikālas un ķīmiskas izmaiņas zemes virsmā vai ķīmiskas reakcijas traukos, kas atvērti atmosfērai.

1. attēls. Izobārs process: zilā horizontālā līnija ir izobārs, kas nozīmē pastāvīgu spiedienu. Avots: Wikimedia Commons.

Daži piemēri ir iegūti, sildot balonu, kas piepildīts ar gaisu saulē, vārot, vārot vai sasaldējot ūdeni, katlos ģenerēto tvaiku vai karstā gaisa balona paaugstināšanas procesu. Mēs sniegsim skaidrojumu par šiem gadījumiem vēlāk.

Formula un vienādojumi

Izrēķināsim izobārā procesa vienādojumu, pieņemot, ka pētāmā sistēma ir ideāla gāze, modelis, kas ir diezgan piemērots gandrīz jebkurai gāzei ar spiedienu, kas mazāks par 3 atmosfērām. Ideālās gāzes daļiņas pārvietojas nejauši, aizņemot visu telpas daudzumu, kurā tās atrodas, nedarbojoties savā starpā.

Ja ideālai gāzei, kas ir ievietota cilindrā, kurš aprīkots ar pārvietojamu virzuli, ļauj lēnām izplesties, var pieņemt, ka tā daļiņas visu laiku atrodas līdzsvarā. Tad gāze uz A zonas virzuli iedarbojas ar F lieluma spēku:

Kur p ir gāzes spiediens. Šis spēks darbojas, radot virzuļa bezgalīgu pārvietojumu dx, ko piešķir:

Tā kā produkts Adx ir tilpuma starpība dV, tad dW = pdV. Atliek integrēt abas puses no sākotnējā tilpuma V _A līdz galīgajam tilpumam V _B, lai iegūtu kopējo gāzes darbu:

Ja ΔV ir pozitīvs, gāze izplešas, un, ja ΔV ir negatīvs, notiek pretējais. Izobārā procesa spiediena un tilpuma grafiks (PV diagramma) ir horizontāla līnija, kas savieno stāvokļus A un B, un paveiktais darbs vienkārši ir vienāds ar taisnstūra laukumu zem līknes.

Eksperimenti

Aprakstīto situāciju eksperimentāli pārbauda, ​​norobežojot gāzi balona iekšpusē, kas aprīkots ar pārvietojamu virzuli, kā parādīts 2. un 3. attēlā. Virzuļa masai tiek uzlikta masa M, kuras svars ir vērsts uz leju, bet gāze tas rada augšupejošu spēku, pateicoties spiedienam P, ko tas rada uz virzuļa.

2. attēls. Eksperiments, kas sastāv no slēgtas gāzes izplešanās pie pastāvīga spiediena. Avots: F. Zapata.

Tā kā virzulis spēj brīvi pārvietoties, gāzes aizņemtais tilpums var mainīties bez problēmām, bet spiediens paliek nemainīgs. Pievienojot atmosfēras spiedienu P _atm , kas arī ietekmē lejupejošu spēku, mums ir:

Tāpēc: P = (Mg / A) + P _atm nemainās, ja vien M nav modificēts un tādējādi arī svars. Pievienojot siltumu balonam, gāze paplašināsies, palielinot tā tilpumu, vai arī tā samazināsies, siltumam noņemoties.

Izobāri procesi ideālā gāzē

Ideālā gāzes stāvokļa vienādojums attiecas uz svarīguma mainīgajiem lielumiem: spiedienu P, tilpumu V un temperatūru T:

Šeit n apzīmē molu skaitu un R ir ideālā gāzes konstante (derīga visām gāzēm), ko aprēķina, Boltzmann konstanci reizinot ar Avogadro skaitli, iegūstot:

R = 8,31 J / mol K

Ja spiediens ir nemainīgs, stāvokļa vienādojumu var uzrakstīt šādi:

Bet nR / P ir nemainīgs, jo n, R un P ir. Tātad, kad sistēma pāriet no 1. stāvokļa uz 2. stāvokli, rodas šāda proporcija, kas pazīstama arī kā Kārļa likums:

3. attēls. Animācija, kas parāda gāzes izplešanos pie pastāvīga spiediena. Labajā pusē ir diagramma par tilpumu kā temperatūras funkciju, kas ir līnija. Avots: Wikimedia Commons. NASA Glennas pētījumu centrs.

Aizstājot ar W = PΔV, tiek veikts darbs, kas paredzēts pārejai no 1. līdz 2. stāvoklim, ņemot vērā konstantes un temperatūras izmaiņas, kuras ir viegli izmērīt ar termometru:

Tas nozīmē, ka, pievienojot gāzei noteiktu siltuma daudzumu Q, palielinās iekšējā enerģija ∆U un palielinās tās molekulu vibrācijas. Šādā veidā gāze izplešas un darbojas, pārvietojot virzuli, kā mēs jau teicām iepriekš.

Monatomiskā ideālā gāzē un iekšējās enerģijas energyU variācijā, kas ietver gan kinētisko enerģiju, gan tās molekulu potenciālo enerģiju, ir:

Visbeidzot, mēs apvienojam iegūtos izteicienus vienā:

Alternatīvi Q var pārrakstīt masas m, temperatūras starpības un jaunas konstanti, ko sauc par gāzes īpatnējo siltumu pie pastāvīga spiediena, saīsināti c _{p ,} kuru vienības ir J / mol K:

Piemēri

Ne visus izobāriskos procesus veic slēgtos traukos. Faktiski pie atmosfēras spiediena notiek neskaitāmi visu veidu termodinamiskie procesi, tāpēc izobārie procesi dabā ir ļoti bieži. Tas ietver fizikālas un ķīmiskas izmaiņas Zemes virsmā, ķīmiskās reakcijas traukos, kas atvērti atmosfērai, un vēl daudz vairāk.

Lai izobāriskie procesi varētu notikt slēgtās sistēmās, to robežām jābūt pietiekami elastīgām, lai pieļautu apjoma izmaiņas, nemainot spiedienu.

Tas bija tas, kas notika virzuļa eksperimentā, kurš viegli pārvietojās, paplašinoties gāzei. Tas pats, noslēdzot gāzi viesību balonā vai karstā gaisa balonā.

Šeit ir vairāki izobāru procesu piemēri:

Uzvāra ūdeni un vāra

Tējas vārīšanai paredzētais ūdens vai mērču gatavošana atvērtos traukos ir labi izobāru procesu piemēri, jo tie visi notiek atmosfēras spiedienā.

Ūdenim karsējot, palielinās temperatūra un tilpums, un, turpinot siltumu, tiek sasniegta viršanas temperatūra, kurā notiek ūdens fāzes maiņa no šķidruma uz ūdens tvaiku. Kamēr tas notiek, temperatūra arī paliek nemainīga 100ºC.

Sasaldējiet ūdeni

No otras puses, ūdens sasalšana ir arī izobārisks process neatkarīgi no tā, vai tas notiek ezerā ziemā vai mājas ledusskapī.

Gaisa balona sildīšana saulē

Vēl viens izobārā procesa piemērs ir gaisa piepūsta balona tilpuma izmaiņas, kad to atstāj saules iedarbībā. Pirmkārt, no rīta, kad vēl nav ļoti karsts, balonam ir noteikts tilpums.

Laikam ejot un paaugstinoties temperatūrai, gaisa balons arī sasilst, palielinot tā tilpumu, un tas viss notiek pie pastāvīga spiediena. Balona materiāls ir labs piemērs robežai, kas ir pietiekami elastīga, lai gaiss tā iekšpusē, sildot, izplešas, nemainot spiedienu.

Pieredzi var gūt arī pielāgojot nepiespiestu balonu stikla pudeles iztekā, kas piepildīta ar vienu trešdaļu ūdens un tiek uzkarsēta ūdens vannā. Tiklīdz ūdens tiek uzkarsēts, balons nekavējoties piepūšas, taču ir jāuzmanās, lai tas nesasiltu pārāk daudz, lai tas nesprāgst.

Aerostatiskais balons

Tas ir peldošs kuģis bez piedziņas, kas cilvēku un priekšmetu pārvadāšanai izmanto gaisa straumes. Balonu parasti piepilda ar karstu gaisu, kas, būdams vēsāks par apkārtējo gaisu, paceļas un izplešas, izraisot gaisa balona celšanos.

Lai arī gaisa straumes virza balonu, tajā ir degļi, kas tiek aktivizēti, lai sildītu gāzi, kad vēlaties pacelties vai saglabāt augstumu, un tiek deaktivizēti, nolaižoties vai nolaižoties. Tas viss notiek atmosfēras spiedienā, kas tiek pieņemts nemainīgs noteiktā augstumā netālu no virsmas.

4. attēls. Karstā gaisa baloni. Avots: Pixabay.

Katli

Apkures katlos rodas tvaiks, sildot ūdeni un uzturot pastāvīgu spiedienu. Pēc tam šis tvaiks veic noderīgu darbu, piemēram, ražo elektrību termoelektrostacijās vai darbojas ar citiem mehānismiem, piemēram, lokomotīvēm un ūdens sūkņiem.

Atrisināti vingrinājumi

1. vingrinājums

Jums ir 40 litri gāzes 27 ° C temperatūrā. Atrodiet tilpuma palielināšanos, kad siltumu pievieno izobāri, līdz tā sasniedz 100 ºC.

Risinājums

Kārļa likumu izmanto, lai noteiktu galīgo tilpumu, taču esiet piesardzīgs: temperatūras jāizsaka kelvinos, katram pievienojot tikai 273 K:

27 ºC = 27 + 273 K = 300 K

100 ºC = 100 + 273 K = 373 K

No:

Visbeidzot, tilpuma pieaugums ir V ₂ - V ₁ = 49,7 L - 40 L = 9,7 L.

2. vingrinājums

Ideāla gāze tiek piegādāta ar 5,00 x 10 ³ J enerģijas, lai izobārā procesā paveiktu 2,00 x 10 ³ J darbu ar apkārtni. Tas lūdz atrast:

a) Gāzes iekšējās enerģijas izmaiņas.

b) tilpuma izmaiņas, ja tagad iekšējā enerģija samazinās par 4,50 x 10 ³ J un 7,50 x 10 ³ J tiek izvadīti no sistēmas, ņemot vērā pastāvīgu spiedienu 1,01 x 10 ⁵ Pa.

Risinājums

∆U = Q - W tiek izmantots, un paziņojumā norādītās vērtības tiek aizstātas: Q = 5,00 x 10 ³ J un W = 2,00 x 10 ³ J:

Paziņojumā teikts, ka iekšējā enerģija samazinās, tāpēc: ∆U = - 4,50 x 10 ³ J. Tas arī mums saka, ka tiek izvadīts noteikts siltuma daudzums: Q = -7,50 x 10 ³ J. Abos gadījumos zīme negatīvs apzīmē samazinājumu un zaudējumus, tad:

Kur P = 1,01 x 10 ⁵ Pa. Tā kā visas vienības atrodas Starptautiskajā sistēmā, mēs risinām apjoma izmaiņas:

Tā kā apjoma izmaiņas ir negatīvas, tas nozīmē, ka apjoms samazinājās, tas ir, sistēma noslēdza līgumu.

Atsauces

1. Byjou's. Izobārs process. Atgūts no: byjus.com.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamika. 7. izdevums. Makgreiva kalns.
3. Process xyz. Uzziniet vairāk par izobārā procesu. Atgūts no: 10proceso.xyz.
4. Servejs, R., Vulle, C. 2011. Fizikas pamati. 9. izdevums Cengage mācīšanās.
5. Wikipedia. Gāzes likumi. Atgūts no: es.wikipedia.org.