- Formula și ecuațiile
- Experimentele
- Procese izobare în gazul ideal
- Exemple
- Se fierbe apa și se gătește
- Congelați apa
- Încălzirea unui balon umplut cu aer la soare
- Balonul aerostatic
- Cazane
- Exerciții rezolvate
- Exercitiul 1
- Soluţie
- Exercițiul 2
- Solutie la
- Referințe
Într-un proces izobaric , presiunea P a unui sistem este menținută constantă. Prefixul „iso” provine din greacă și este folosit pentru a indica faptul că ceva rămâne constant, în timp ce „baros”, tot din greacă, înseamnă greutate.
Procesele izobarice sunt foarte tipice atât în containerele închise, cât și în spațiile deschise, fiind ușor de localizat în natură. Prin aceasta ne referim la faptul că sunt posibile modificări fizice și chimice pe suprafața pământului sau reacții chimice în vasele deschise către atmosferă.
Figura 1. Proces izobaric: linia orizontală albastră este un izobar, ceea ce înseamnă presiune constantă. Sursa: Wikimedia Commons.
Câteva exemple sunt obținute prin încălzirea unui balon umplut cu aer la soare, gătirea, fierberea sau înghețarea apei, aburul generat în cazane sau procesul de ridicare a unui balon cu aer cald. Vom oferi mai târziu o explicație a acestor cazuri.
Formula și ecuațiile
Să derivăm o ecuație pentru procesul izobaric presupunând că sistemul studiat este un gaz ideal, un model destul de potrivit pentru aproape orice gaz la mai puțin de 3 atmosfere de presiune. Particulele ideale de gaz se mișcă la întâmplare, ocupând întregul volum al spațiului care le conține fără să interacționeze între ele.
Dacă gazul ideal închis într-un cilindru echipat cu un piston mobil se lasă să se extindă încet, se poate presupune că particulele sale sunt în permanență în echilibru. Apoi, gazul exercită asupra pistonului din zona A o forță F de mărime:
Unde p este presiunea gazului. Această forță funcționează producând o deplasare infinitesimală dx în piston dată de:
Deoarece produsul Adx este un dV diferențial de volum, atunci dW = pdV. Rămâne să integrăm ambele părți de la volumul inițial V A la volumul final V B pentru a obține lucrul total realizat de gaz:
Experimentele
Situația descrisă este verificată experimental prin limitarea unui gaz în interiorul unui cilindru prevăzut cu un piston mobil, așa cum se arată în Figurile 2 și 3. O greutate de masă M este plasată pe piston, a cărei greutate este îndreptată în jos, în timp ce gazul aceasta exercită o forță ascendentă datorită presiunii P pe care o produce pe piston.
Figura 2. Experiment care constă în extinderea unui gaz limitat la presiune constantă. Sursa: F. Zapata.
Deoarece pistonul este capabil să se miște liber, volumul pe care îl ocupă gazul se poate modifica fără probleme, dar presiunea rămâne constantă. Adăugând presiunea atmosferică P atm , care exercită și o forță descendentă, avem:
Prin urmare: P = (Mg / A) + P atm nu variază, decât dacă M este modificat și astfel greutatea. Prin adăugarea de căldură la cilindru, gazul se va extinde prin creșterea volumului sau se va contracta pe măsură ce se elimină căldura.
Procese izobare în gazul ideal
Ecuația ideală de gaz a stării raportează variabilele de importanță: presiunea P, volumul V și temperatura T:
Aici n reprezintă numărul de aluniți și R este constanta ideală a gazului (valabilă pentru toate gazele), care este calculată prin înmulțirea constantei lui Boltzmann cu numărul lui Avogadro, rezultând:
R = 8,31 J / mol K
Când presiunea este constantă, ecuația de stare poate fi scrisă ca:
Dar nR / P este constantă, deoarece n, R și P sunt. Deci, atunci când sistemul trece de la statul 1 la statul 2, apare următoarea proporție, cunoscută și sub numele de legea lui Charles:
Figura 3. Animație care arată expansiunea gazului la presiune constantă. În dreapta graficul volumului în funcție de temperatură, care este o linie. Sursa: Wikimedia Commons. Centrul de cercetare Glenn al NASA.
Înlocuind în W = PΔV, munca depusă pentru a trece de la starea 1 la 2 se obține, din punct de vedere al constantelor și al variației de temperatură, ușor de măsurat cu un termometru:
Aceasta înseamnă că adăugarea unei anumite cantități de căldură Q în gaz mărește energia internă ∆U și crește vibrațiile moleculelor sale. În acest fel, gazul se extinde și funcționează prin mișcarea pistonului, așa cum am spus mai înainte.
Într-un gaz ideal monatomic și variația energiei interne ∆U, care include atât energia cinetică, cât și energia potențială a moleculelor sale, este:
În cele din urmă, combinăm expresiile pe care le-am obținut într-una:
Alternativ, Q poate fi rescris în termeni de masă m, diferența de temperatură și o nouă constantă numită căldura specifică a gazului la presiune constantă, prescurtată c p , ale cărei unități sunt J / mol K:
Exemple
Nu toate procesele izobareice se desfășoară în recipiente închise. De fapt, nenumărate procese termodinamice de tot felul apar la presiunea atmosferică, astfel încât procesele izobare sunt foarte frecvente în natură. Aceasta include modificări fizice și chimice la suprafața Pământului, reacții chimice în vasele deschise către atmosferă și multe altele.
Pentru ca procesele izobare să aibă loc în sisteme închise, limitele lor trebuie să fie suficient de flexibile pentru a permite modificări de volum fără presiune diferită.
Acest lucru s-a întâmplat în experimentul pistonului care se mișca ușor pe măsură ce gazul se extindea. Este la fel prin închiderea unui gaz într-un balon de petrecere sau într-un balon cu aer cald.
Aici avem câteva exemple de procese izobarice:
Se fierbe apa și se gătește
Apa clocotită pentru ceai sau sosurile de gătit în recipiente deschise sunt exemple bune de procese izobare, deoarece toate au loc la presiunea atmosferică.
Pe măsură ce apa este încălzită, temperatura și volumul cresc și dacă se continuă adăugarea căldurii, punctul de fierbere este în sfârșit atins, în care are loc schimbarea de fază a apei de la lichid la vapori de apă. În timp ce se întâmplă acest lucru, temperatura rămâne constantă și la 100ºC.
Congelați apa
Pe de altă parte, înghețarea apei este, de asemenea, un proces izobar, indiferent dacă are loc într-un lac în timpul iernii sau la frigiderul casnic.
Încălzirea unui balon umplut cu aer la soare
Un alt exemplu de procedeu izobaric este schimbarea volumului unui balon umflat cu aer atunci când este lăsat expus la soare.În primul rând dimineața, când încă nu este foarte cald, balonul are un anumit volum.
Pe măsură ce trece timpul și temperatura crește, balonul se încălzește, crescând volumul și toate acestea apar la presiune constantă. Materialul balonului este un bun exemplu de delimitare suficient de flexibil, astfel încât aerul din interiorul său, atunci când este încălzit, să se extindă fără a modifica presiunea.
Experiența poate fi realizată și prin reglarea balonului neinflat în becul unei sticle pline cu o treime de apă, care este încălzită într-o baie de apă. De îndată ce apa este încălzită, balonul se umflă imediat, dar trebuie avut grijă să nu se încălzească prea mult, pentru a nu exploda.
Balonul aerostatic
Este o navă plutitoare fără propulsie, care folosește curenții de aer pentru a transporta persoane și obiecte. Balonul este de obicei umplut cu aer cald, care, fiind mai rece decât aerul din jur, se ridică și se extinde făcând ca balonul să se ridice.
Deși curenții de aer direcționează balonul, acesta are arzătoare care sunt activate pentru a încălzi gazul atunci când se dorește ascensiunea sau menținerea altitudinii și sunt dezactivate la coborârea sau aterizarea. Toate acestea se întâmplă la presiunea atmosferică, asumată constant la o anumită înălțime nu departe de suprafață.
Figura 4. baloane cu aer cald. Sursa: Pixabay.
Cazane
Aburul este generat în cazane prin încălzirea apei și menținerea presiunii constante. Acest abur efectuează apoi lucrări utile, de exemplu, generarea de energie electrică în centralele termoelectrice sau funcționarea altor mecanisme precum locomotive și pompe de apă.
Exerciții rezolvate
Exercitiul 1
Aveți 40 de litri de gaz la o temperatură de 27 ºC. Găsiți creșterea volumului la adăugarea izobară a căldurii până la 100 ºC.
Soluţie
Legea lui Charles este folosită pentru a determina volumul final, dar fiți atenți: temperaturile trebuie exprimate în Kelvin, adăugând doar 273 K fiecăruia:
27 ºC = 27 + 273 K = 300 K
100 ºC = 100 + 273 K = 373 K
Din:
În sfârșit, creșterea volumului este V 2 - V 1 = 49,7 L - 40 L = 9,7 L.
Exercițiul 2
Un gaz ideal este furnizat cu 5,00 x 10 3 J de energie pentru a face 2,00 x 10 3 J de lucru pe împrejurimile sale într-un proces izobar. Solicită să găsească:
a) Schimbarea energiei interne a gazului.
b) Schimbarea de volum, dacă acum energia internă scade cu 4,50 x 10 3 J și 7,50 x 10 3 J sunt expulzate din sistem, considerând o presiune constantă de 1,01 x 10 5 Pa.
Solutie la
∆U = Q - W este utilizat și valorile date în enunț sunt înlocuite: Q = 5,00 x 10 3 J și W = 2,00 x 10 3 J:
Afirmația afirmă că energia internă scade, prin urmare: ∆U = - 4,50 x 10 3 J. Ne spune, de asemenea, că o anumită cantitate de căldură este expulzată: Q = -7,50 x 10 3 J. În ambele cazuri, semnul negativ reprezintă scădere și pierdere, apoi:
În cazul în care P = 1,01 x 10 5 Pa. Întrucât toate unitățile sunt în sistemul internațional, procedăm la rezolvarea modificării volumului:
Deoarece modificarea volumului este negativă, înseamnă că volumul a scăzut, adică sistemul contractat.
Referințe
- Byjou e. Procesul izobaric. Recuperat din: byjus.com.
- Cengel, Y. 2012. Termodinamica. Ediția a VII-a. McGraw Hill.
- Procesul xyz Aflați mai multe despre procesul izobaric. Recuperat din: 10proceso.xyz.
- Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentele fizicii. 9. Ed. Cengage Learning.
- Wikipedia. Legile privind gazele. Recuperat de la: es.wikipedia.org.