ISOBARISK PROCESS: FORMLER, EKVATIONER, EXPERIMENT, ÖVNINGAR - FYSISK - 2025

I en isobarisk process hålls systemets tryck P konstant. Prefixet "iso" kommer från det grekiska och används för att beteckna att något förblir konstant, medan "baros", också från det grekiska, betyder vikt.

Isobariska processer är mycket typiska både i slutna behållare och i öppna utrymmen, eftersom de är lätta att hitta dem i naturen. Med detta menar vi att fysiska och kemiska förändringar på jordens yta eller kemiska reaktioner i kärl öppna för atmosfären är möjliga.

Figur 1. Isobarisk process: den blå horisontella linjen är en isobar, vilket betyder konstant tryck. Källa: Wikimedia Commons.

Några exempel erhålls genom att värma en ballong fylld med luft i solen, koka, koka eller frysa vatten, ångan som genereras i pannor eller processen att höja en varmluftsballong. Vi kommer att ge en förklaring av dessa fall senare.

Formel och ekvationer

Låt oss härleda en ekvation för den isobariska processen under antagande att systemet som studeras är en idealisk gas, en modell som är ganska lämplig för nästan vilken gas som helst med mindre än 3 tryckstemperaturer. De ideala gaspartiklarna rör sig slumpmässigt och upptar hela volymen i utrymmet som innehåller dem utan att interagera med varandra.

Om den ideala gasen som är innesluten i en cylinder försedd med en rörlig kolv tillåts växa långsamt kan det antas att dess partiklar alltid är i jämvikt. Sedan utövar gasen på kolven i område A en kraft F av storleken:

Där p är gasens tryck. Denna kraft arbetar med att producera en infinitesimal förskjutning dx i kolven som ges av:

Eftersom produkten Adx är en volymdifferens dV, är dW = pdV. Det återstår att integrera båda sidor från den initiala volymen V _A till den slutliga volymen V _B att erhålla den totala arbete som utförs av gasen:

Om ΔV är positiv expanderar gasen och motsatsen händer när ΔV är negativ. Trycket mot volymgrafen (PV-diagram) för den isobara processen är en horisontell linje som sammanfogar tillstånd A och B, och arbetet som utförs är helt enkelt lika med det rektangulära området under kurvan.

experiment

Den beskrivna situationen verifieras experimentellt genom att förena en gas inuti en cylinder försedd med en rörlig kolv, såsom visas i figurerna 2 och 3. En vikt av massan M placeras på kolven, vars vikt riktas nedåt medan gasen den utövar en kraft uppåt tack vare trycket P som den producerar på kolven.

Figur 2. Experiment som består av att expandera en trångt gas vid konstant tryck. Källa: F. Zapata.

Eftersom kolven kan röra sig fritt kan volymen som gasen upptar förändras utan problem, men trycket förblir konstant. Att lägga till atmosfärstrycket P- _atm , som också utövar en nedåtgående kraft, har vi:

Därför: P = (Mg / A) + P- _atm varierar inte, såvida M inte modifieras och därmed vikten. Genom att lägga till värme till cylindern kommer gasen att expandera genom att öka volymen eller så kommer den att dras samman när värme avlägsnas.

Isobariska processer i den ideala gasen

Den ideala gasekvationen för tillstånd relaterar variablerna av betydelse: tryck P, volym V och temperatur T:

Här representerar n antalet mol och R är den ideala gaskonstanten (gäller för alla gaser), som beräknas genom att multiplicera Boltzmanns konstant med Avogadros antal, vilket resulterar i:

R = 8,31 J / mol K

När trycket är konstant kan tillståndets ekvation skrivas som:

Men nR / P är konstant, eftersom n, R och P är. Så när systemet går från tillstånd 1 till tillstånd 2 uppstår följande andel, även känd som Karls lag:

Bild 3. Animering som visar gasutvidgning vid konstant tryck. Till höger grafen för volymen som en funktion av temperaturen, som är en linje. Källa: Wikimedia Commons. NASA: s Glenn Research Center.

Genom att ersätta i W = PΔV erhålls arbetet för att gå från tillstånd 1 till 2, med avseende på konstanterna och temperaturvariationen, lätt att mäta med en termometer:

Detta innebär att tillsats av en viss mängd värme Q till gasen ökar den inre energin ∆U och ökar vibrationerna i dess molekyler. På detta sätt expanderar gasen och fungerar genom att flytta kolven, som vi har sagt tidigare.

I en monatomisk idealisk gas och variationen av den inre energin ∆U, som inkluderar både den kinetiska energin och den potentiella energin i dess molekyler, är:

Slutligen kombinerar vi de uttryck som vi har fått till ett:

Alternativt Q kan skrivas om i termer av massan m, temperaturskillnaden, och en ny konstant kallas det specifika värmet av gas vid konstant tryck, förkortat c _{p ,} vars enheter är J / mol K:

exempel

Inte alla isobariska processer utförs i slutna behållare. Faktum är att otaliga termodynamiska processer av alla slag förekommer vid atmosfärstryck, så isobariska processer är mycket ofta i naturen. Detta inkluderar fysiska och kemiska förändringar på jordens yta, kemiska reaktioner i kärl öppna för atmosfären och mycket mer.

För att isobariska processer ska ske i slutna system måste deras gränser vara tillräckligt flexibla för att tillåta volymförändringar utan varierande tryck.

Detta var vad som hände i experimentet med kolven som rörde sig lätt när gasen expanderade. Det är samma sak genom att omsluta en gas i en festballong eller en varmluftsballong.

Här har vi flera exempel på isobariska processer:

Koka vatten och koka

Kokande vatten för te eller matlagningssåsar i öppna behållare är goda exempel på isobariska processer, eftersom de alla äger rum vid atmosfärstryck.

När vattnet värms upp ökar temperaturen och volymen och om värme fortsätter att tillsättas uppnås slutligen kokpunkten, i vilken fasförändringen av vattnet från vätska till vattenånga inträffar. Medan detta händer, förblir temperaturen också konstant vid 100 ° C.

Frys vattnet

Å andra sidan är frysvatten också en isobarisk process, oavsett om det sker i en sjö under vintern eller i kylen i hemmet.

Uppvärmning av en ballong fylld med luft i solen

Ett annat exempel på en isobarisk process är förändringen i volymen på en ballong uppblåst med luft när den lämnas utsatt för solen. Första på morgonen, när det inte är mycket varmt ännu, har ballongen en viss volym.

När tiden går och temperaturen ökar värms också ballongen upp, vilket ökar volymen och allt detta sker vid konstant tryck. Materialet i ballongen är ett bra exempel på en gräns som är tillräckligt flexibel så att luften inuti den, vid uppvärmning, expanderar utan att modifiera trycket.

Upplevelsen kan också utföras genom att justera den ouppblåsta ballongen i pipen på en glasflaska fylld med en tredjedel vatten, som värms upp i ett vattenbad. Så snart vattnet värms upp blåses ballongen upp omedelbart, men man måste vara försiktig så att den inte värms för mycket så att den inte exploderar.

Den aerostatiska ballongen

Det är ett flytande fartyg utan framdrivning, som använder luftströmmar för att transportera människor och föremål. Ballongen är vanligtvis fylld med varm luft, som är svalare än den omgivande luften stiger och expanderar och får ballongen att stiga.

Även om luftströmmarna riktar ballongen, har den brännare som aktiveras för att värma gasen när du vill stiga upp eller bibehålla höjden, och deaktiveras vid nedstigning eller landning. Allt detta händer vid atmosfärstryck, antaget konstant i en viss höjd inte långt från ytan.

Bild 4. Luftballonger. Källa: Pixabay.

pannor

Ånga genereras i pannor genom att värma vatten och upprätthålla konstant tryck. Denna ånga utför sedan användbart arbete, till exempel generering av elektricitet i termoelektriska kraftverk eller drift av andra mekanismer såsom lok och vattenpumpar.

Lösta övningar

Övning 1

Du har 40 liter gas vid en temperatur på 27 ºC. Hitta volymökningen när värme tillförs isobariskt tills den når 100 ºC.

Lösning

Charles's lag används för att bestämma den slutliga volymen, men var försiktig: temperaturen måste uttryckas i Kelvin, bara lägga till 273 K till var och en:

27 ºC = 27 + 273 K = 300 K

100 ºC = 100 + 273 K = 373 K

Från:

Slutligen är volymökningen V ₂ - V ₁ = 49,7 L - 40 L = 9,7 L.

Övning 2

En idealisk gas levereras med 5,00 x 10 ³ J energi för att göra 2,00 x 10 ³ J arbete på omgivningen i en isobarisk process. Den ber om att hitta:

a) Förändringen i gasens inre energi.

b) Volymförändringen, om den interna energin nu minskar med 4,50 x 10 ³ J och 7,50 x 10 ³ J, kommer ut från systemet, med tanke på ett konstant tryck på 1,01 x 10 ⁵ Pa.

Lösning till

∆U = Q - W används och värdena som anges i satsen ersätts: Q = 5,00 x 10 ³ J och W = 2,00 x 10 ³ J:

Uttalandet säger att den inre energin minskar, därför: ∆U = - 4,50 x 10 ³ J. Det säger också att en viss mängd värme utvisas: Q = -7,50 x 10 ³ J. I båda fallen tecknet negativt representerar minskning och förlust, då:

Där P = 1,01 x 10 ⁵ Pa. Eftersom alla enheter finns i det internationella systemet fortsätter vi att lösa för volymförändringen:

Eftersom volymförändringen är negativ, betyder det att volymen minskade, det vill säga systemet dras samman.

referenser

1. Byjou är. Isobarisk process. Återställd från: byjus.com.
2. Cengel, Y. 2012. Termodynamik. 7: e upplagan. McGraw Hill.
3. Process xyz. Läs mer om den isobara processen. Återställd från: 10proceso.xyz.
4. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentals of Physics. 9: e ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Gaslagar. Återställd från: es.wikipedia.org.