ИЗОБАРСКИ ПРОЦЕС: ФОРМУЛЕ, ЈЕДНАЏБЕ, ЕКСПЕРИМЕНТИ, ВЕЖБЕ - ФИЗИЧКИ - 2025

У изобарном процесу , притисак П система се одржава константним. Префикс „исо“ долази од грчког и користи се да означи да нешто остаје стално, док „барос“, такође из грчког, значи тежину.

Изобарски процеси су врло типични и у затвореним контејнерима и на отвореним просторима, па их је лако пронаћи у природи. Под тим подразумевамо да су могуће физичке и хемијске промене на земљиној површини или хемијске реакције у судовима отвореним у атмосфери.

Слика 1. Изобарски процес: плава хоризонтална линија је изобар, што значи константан притисак. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Неки примери су добијени загревањем балона напуњеног ваздухом на сунцу, кувањем, кључајући или замрзавањем воде, паром која се ствара у бојлерима или поступком подизања балона са топлим ваздухом. Објашњење ћемо дати касније.

Формула и једначине

Изведимо једначину за изобарни процес претпостављајући да је проучавани систем идеалан гас, прилично погодан модел за готово било који гас при притиску мањој од 3 атмосфере. Честице идеалног гаса крећу се насумично, заузимајући целокупну запремину простора који их садржи без међусобне интеракције.

Ако се идеални гас затворен у цилиндар опремљен помичним клипом пушта да се полако шири, може се претпоставити да су његове честице у сваком тренутку у равнотежи. Тада гас делује на клип подручја А силе величине Ф:

Где је п притисак гаса. Ова сила дјелује стварајући бесконачно мали помак дк у клипу дат од:

Пошто је производ Адк диференцијална запремина дВ, тада је дВ = пдВ. Остаје да се интегришу обе стране од почетне запремине В _А до крајње запремине В _Б да би се добио укупан посао обављен гасом:

Ако је ΔВ позитиван, гас се шири, а обрнуто се догађа када је ΔВ негативан. Граф притиска у односу на запремину (ПВ дијаграм) изобарног процеса је хоризонтална линија која спаја стања А и Б, а обављени рад једноставно је једнак правоугаоном подручју испод кривуље.

Експерименти

Описана ситуација се експериментално верификује стављањем гаса у цилиндар опремљен помичним клипом, као што је приказано на сликама 2 и 3. Тежина масе М смештена је на клипу, чија је тежина усмерена на доле, док је гас он делује узлазну силу захваљујући притиску који ствара на клипу.

Слика 2. Експеримент који се састоји од ширења затвореног гаса под константним притиском. Извор: Ф. Запата.

Пошто се клип може слободно кретати, запремина коју гас заузима може се мењати без проблема, али притисак остаје константан. Ако додамо атмосферски притисак П _атм , који такође делује силазно, имамо:

Стога: П = (Мг / А) + П _атм не варира, осим ако је М модификована и самим тим тежина. Додавањем топлоте у цилиндар, гас ће се проширити повећањем запремине или ће се смањити када се топлота одстрани.

Изобарски процеси у идеалном гасу

Једнаџба стања идеалног гаса односи се на важне варијабле: притисак П, запремину В и температуру Т:

Овде н представља број молова, а Р је идеална константа гаса (важи за све гасове), која се израчунава множењем Болтзманнове константе са Авогадровим бројем, што резултира:

Р = 8,31 Ј / мол К

Када је притисак константан, једнаџба стања може се записати као:

Али нР / П је константан, јер су н, Р и П. Када систем пређе из стања 1 у стање 2, појављује се следећи удео, познат и као Карлов закон:

Слика 3. Анимација која приказује ширење гаса при константном притиску. С десне стране је графикон запремине као функција температуре, која је линија. Извор: Викимедиа Цоммонс. НАСА-ин истраживачки центар Гленн

Супституирајући у В = ПΔВ, добијамо посао који је обављен да би прешао из стања 1 у 2 у смислу константи и варијације температуре, које је лако измерити термометром:

То значи да додавање одређене количине топлоте К гасу повећава унутрашњу енергију ∆У и повећава вибрације његових молекула. На тај се начин гас шири и дјелује помицањем клипа, као што смо већ рекли.

Монатомски идеални гас и варијација унутрашње енергије ∆У, која укључује и кинетичку енергију и потенцијалну енергију његових молекула, је:

Коначно, комбинујемо изразе које смо добијали у једно:

Алтернативно, К се може преписати у смислу масе м, температурне разлике и нове константе која се назива специфична топлота гаса при константном притиску, скраћено ц _{п ,} чије су јединице Ј / мол К:

Примери

Нису сви изобарски процеси изведени у затвореним контејнерима. У ствари, безбројни термодинамички процеси свих врста одвијају се под атмосферским притиском, па су изобарски процеси у природи врло чести. То укључује физичке и хемијске промене на Земљиној површини, хемијске реакције у судовима отвореним у атмосфери и још много тога.

Да би се изобарски процеси одвијали у затвореним системима, њихове границе морају бити довољно флексибилне да омогућују промене запремине без променљивог притиска.

То се догодило у експерименту клипа који се лако кретао како се гас ширио. Исто је и са додавањем гаса у балон за забаву или балон са топлим ваздухом.

Овде имамо неколико примера изобарних процеса:

Прокухајте воду и кувајте

Врела вода за чај или сос за кухање у отвореним посудама су добри примери изобарских процеса, јер се сви одвијају под атмосферским притиском.

Како се вода загрева, температура и запремина се повећавају и ако се топлота настави додавати, тачка кључања коначно се достиже у којој долази до фазне промене воде из течне у водену пару. Док се то дешава, температура такође остаје константна на 100 ° Ц.

Замрзните воду

С друге стране, замрзавање воде је такође изобарички процес, било да се одвија у језеру током зиме или у кућном хладњаку.

Загревање балона испуњеног ваздухом на сунцу

Други пример изобарног процеса је промена запремине балона надуваног ваздухом када се остави да излаже сунцу. Прво ујутро, када још није вруће, балон има одређену запремину.

Како вријеме пролази и температура расте, балон се такођер загријава, повећавајући запремину и све се то догађа под сталним притиском. Материјал балона је добар пример границе која је довољно флексибилна да се ваздух у њему, када се загрева, шири без промене притиска.

Искуство се такође може извршити подешавањем неинфлираног балона у излив стаклене боце напуњене трећином воде, која се загрева у воденој купељи. Чим се вода загреје, балон се надува одмах, али треба водити рачуна да се не загреје превише да не би експлодирао.

Аеростатски балон

То је плутајући брод без погона, који користи ваздушне струје за превоз људи и предмета. Балон се обично пуни врућим ваздухом, који се, хладнији од околног ваздуха, диже и шири узрокујући раст балона.

Иако зрачне струје усмјеравају балон, он има горионике који се активирају за загријавање плина када је пожељно да се пењу или одржавају висину, а деактивирају се при спуштању или слијетању. Све се то догађа при атмосферском притиску, претпостављеном константним на одређеној висини, недалеко од површине.

Слика 4. Балони на топлом ваздуху. Извор: Пикабаи.

Котлови

Пара се ствара у бојлерима грејањем воде и одржавањем константног притиска. Ова пара тада обавља корисне послове, на пример, производи електричну енергију у термоелектранама или користи друге механизме, као што су локомотиве и пумпе за воду.

Решене вежбе

Вежба 1

Имате 40 литара гаса на температури 27 ° Ц. Пронађите повећање запремине када се топлота додаје изобарски док не достигне 100 ºЦ.

Решење

Чарлсов закон користи се за одређивање коначне запремине, али будите пажљиви: температуре морају бити изражене у Келвину, само додајући 273 К на сваку:

27 ° Ц = 27 + 273 К = 300 К

100 ° Ц = 100 + 273 К = 373 К

Од:

Коначно повећање запремине је В ₂ - В ₁ = 49,7 Л - 40 Л = 9,7 Л.

Вежба 2

Идеалан гас се испоручује са 5,00 к 10 ³ Ј енергије за обављање 2,00 к 10 ³ Ј рада у околини у изобарском процесу. Тражи се:

а) промена унутрашње енергије гаса.

б) Промјена запремине, ако се сада унутрашња енергија смањи за 4,50 к 10 ³ Ј и 7,50 к 10 ³ Ј избацује се из система, узимајући у обзир константан притисак од 1,01 к 10 ⁵ Па.

Решење за

Користи се ∆У = К - В и вредности дате у изјави су замењене: К = 5,00 к 10 ³ Ј и В = 2,00 к 10 ³ Ј:

Изјава каже да се унутрашња енергија смањује, дакле: ∆У = - 4,50 к 10 ³ Ј. Такође нам говори да се одређена количина топлоте избацује: К = -7,50 к 10 ³ Ј. У оба случаја знак негативан представља пад и губитак, тада:

Где је П = 1,01 к 10 ⁵ Па. Како су све јединице у Међународном систему, решавамо за промену запремине:

Пошто је промена запремине негативна, то значи да је запремина смањена, односно да је систем уговорен.

Референце

1. Бијоу'с. Изобарски процес. Опоравило од: бијус.цом.
2. Ценгел, И. 2012. Термодинамика. 7тх Едитион. МцГрав Хилл.
3. Процес киз. Сазнајте више о изобарском процесу. Опоравак од: 10процесо.киз.
4. Серваи, Р., Вулле, Ц. 2011. Основе физике. 9. ед. Ценгаге Леарнинг.
5. Википедиа. Закони о гасу. Опоравак од: ес.википедиа.орг.