- Formule en vergelijkingen
- Experimenten
- Isobare processen in het ideale gas
- Voorbeelden
- Kook water en kook
- Vries het water in
- Een ballon met lucht verwarmen in de zon
- De aerostatische ballon
- Ketels
- Opgeloste oefeningen
- Oefening 1
- Oplossing
- Oefening 2
- Oplossing voor
- Referenties
Bij een isobaar proces wordt de druk P van een systeem constant gehouden. Het voorvoegsel "iso" komt uit het Grieks en wordt gebruikt om aan te geven dat iets constant blijft, terwijl "baros", ook uit het Grieks, gewicht betekent.
Isobare processen zijn zeer typerend, zowel in gesloten containers als in open ruimtes, omdat ze gemakkelijk in de natuur te lokaliseren zijn. Hiermee bedoelen we dat fysische en chemische veranderingen op het aardoppervlak of chemische reacties in vaten die openstaan voor de atmosfeer mogelijk zijn.
Figuur 1. Isobaar proces: de blauwe horizontale lijn is een isobaar, wat constante druk betekent. Bron: Wikimedia Commons.
Enkele voorbeelden worden verkregen door een ballon gevuld met lucht in de zon te verwarmen, water te koken, te koken of te bevriezen, de stoom die wordt gegenereerd in boilers of het proces van het opheffen van een heteluchtballon. We zullen deze gevallen later toelichten.
Formule en vergelijkingen
Laten we een vergelijking afleiden voor het isobare proces, ervan uitgaande dat het systeem dat wordt bestudeerd een ideaal gas is, een model dat redelijk geschikt is voor bijna elk gas met een druk van minder dan 3 atmosfeer. De ideale gasdeeltjes bewegen willekeurig en bezetten het volledige volume van de ruimte waarin ze zich bevinden zonder met elkaar in wisselwerking te staan.
Als het ideale gas dat is ingesloten in een cilinder met een beweegbare zuiger, langzaam mag expanderen, mag worden aangenomen dat de deeltjes ervan te allen tijde in evenwicht zijn. Dan oefent het gas op de zuiger van gebied A een kracht F van grootte uit:
Waar p de druk van het gas is. Deze kracht werkt en produceert een oneindig kleine verplaatsing dx in de zuiger, gegeven door:
Aangezien het product Adx een volumeverschil dV is, dan is dW = pdV. Het blijft om beide zijden te integreren van het aanvankelijke volume V A tot het uiteindelijke volume V B om het totale werk van het gas te verkrijgen:
Experimenten
De beschreven situatie wordt experimenteel geverifieerd door een gas op te sluiten in een cilinder voorzien van een beweegbare zuiger, zoals weergegeven in figuren 2 en 3. Op de zuiger wordt een gewicht van massa M geplaatst waarvan het gewicht naar beneden is gericht, terwijl het gas het oefent een opwaartse kracht uit dankzij de druk P die het op de zuiger uitoefent.
Figuur 2. Experiment dat bestaat uit het expanderen van een ingesloten gas bij constante druk. Bron: F. Zapata.
Omdat de zuiger vrij kan bewegen, kan het volume dat het gas inneemt zonder problemen veranderen, maar de druk blijft constant. Als we de atmosferische druk P atm , die ook een neerwaartse kracht uitoefent, optellen , hebben we:
Daarom: P = (Mg / A) + Patm varieert niet, tenzij M wordt gewijzigd en dus het gewicht. Door warmte aan de cilinder toe te voegen, zal het gas uitzetten door het volume te vergroten of zal het krimpen als warmte wordt verwijderd.
Isobare processen in het ideale gas
De ideale gasstatusvergelijking relateert de variabelen van belang: druk P, volume V en temperatuur T:
Hier staat n voor het aantal mol en is R de ideale gasconstante (geldig voor alle gassen), die wordt berekend door de constante van Boltzmann te vermenigvuldigen met het getal van Avogadro, wat resulteert in:
R = 8,31 J / mol K
Wanneer de druk constant is, kan de toestandsvergelijking worden geschreven als:
Maar nR / P is constant, aangezien n, R en P zijn. Dus wanneer het systeem van toestand 1 naar toestand 2 gaat, ontstaat de volgende verhouding, ook wel bekend als de wet van Charles:
Figuur 3. Animatie met gasexpansie bij constante druk. Rechts de grafiek van het volume als functie van temperatuur, dat is een lijn. Bron: Wikimedia Commons. NASA's Glenn Research Center.
Door W = PΔV in te vullen, krijgen we het werk dat is gedaan om van toestand 1 naar 2 te gaan, in termen van de constanten en de temperatuurvariatie, gemakkelijk te meten met een thermometer:
Dit betekent dat het toevoegen van een bepaalde hoeveelheid warmte Q aan het gas de interne energie ΔU verhoogt en de trillingen van de moleculen verhoogt. Op deze manier zet het gas uit en werkt het door de zuiger te bewegen, zoals we eerder zeiden.
In een mono-atomisch ideaal gas en de variatie van de interne energie ΔU, die zowel de kinetische energie als de potentiële energie van zijn moleculen omvat, is:
Ten slotte combineren we de uitdrukkingen die we hebben verkregen tot één:
Als alternatief kan Q worden herschreven in termen van de massa m, het temperatuurverschil en een nieuwe constante genaamd de soortelijke warmte van gas bij constante druk, afgekort c p , waarvan de eenheden J / mol K zijn:
Voorbeelden
Niet alle isobare processen worden in gesloten containers uitgevoerd. In feite vinden talloze thermodynamische processen van allerlei aard plaats bij atmosferische druk, dus isobare processen komen zeer vaak voor in de natuur. Dit omvat fysieke en chemische veranderingen aan het aardoppervlak, chemische reacties in vaten die openstaan voor de atmosfeer, en nog veel meer.
Om isobare processen in gesloten systemen te laten plaatsvinden, moeten hun grenzen flexibel genoeg zijn om volumeveranderingen mogelijk te maken zonder de druk te variëren.
Dit was wat er gebeurde in het experiment van de zuiger die gemakkelijk bewoog naarmate het gas uitzet. Het is hetzelfde door een gas in een feestballon of een heteluchtballon te omsluiten.
Hier hebben we verschillende voorbeelden van isobare processen:
Kook water en kook
Kokend water voor thee of kooksauzen in open containers zijn goede voorbeelden van isobare processen, aangezien ze allemaal plaatsvinden bij atmosferische druk.
Naarmate het water wordt verwarmd, nemen de temperatuur en het volume toe en als er warmte blijft worden toegevoegd, wordt uiteindelijk het kookpunt bereikt, waarin de faseverandering van het water van vloeistof naar waterdamp plaatsvindt. Terwijl dit gebeurt, blijft de temperatuur ook constant op 100ºC.
Vries het water in
Aan de andere kant is ijskoud water ook een isobaar proces, of het nu in een meer plaatsvindt tijdens de winter of in de koelkast thuis.
Een ballon met lucht verwarmen in de zon
Een ander voorbeeld van een isobaar proces is de verandering in het volume van een ballon die met lucht wordt opgeblazen wanneer deze aan de zon wordt blootgesteld. 'S Ochtends, als het nog niet erg heet is, heeft de ballon een bepaald volume.
Naarmate de tijd verstrijkt en de temperatuur stijgt, warmt de ballon ook op, waardoor het volume toeneemt en dit alles gebeurt bij constante druk. Het materiaal van de ballon is een goed voorbeeld van een grens die flexibel genoeg is zodat de lucht erin, bij verhitting, uitzet zonder de druk te wijzigen.
De ervaring kan ook worden uitgevoerd door de niet-opgeblazen ballon aan te passen in de tuit van een glazen fles gevuld met een derde water, dat wordt verwarmd in een waterbad. Zodra het water is opgewarmd, wordt de ballon onmiddellijk opgeblazen, maar er moet voor worden gezorgd dat deze niet te veel verhit, zodat deze niet ontploft.
De aerostatische ballon
Het is een drijvend schip zonder voortstuwing, dat gebruik maakt van luchtstromen om mensen en objecten te vervoeren. De ballon is meestal gevuld met hete lucht, die, koeler dan de omringende lucht, stijgt en uitzet waardoor de ballon omhoog gaat.
Hoewel de luchtstromen de ballon leiden, heeft deze branders die worden geactiveerd om het gas te verwarmen wanneer het gewenst is om op te stijgen of hoogte te behouden, en worden gedeactiveerd bij het dalen of landen. Dit alles gebeurt bij atmosferische druk, constant verondersteld op een bepaalde hoogte niet ver van het oppervlak.
Figuur 4. Heteluchtballonnen. Bron: Pixabay.
Ketels
Stoom wordt gegenereerd in boilers door water te verwarmen en een constante druk te handhaven. Deze stoom verricht dan nuttig werk, bijvoorbeeld het opwekken van elektriciteit in thermo-elektrische centrales of het bedienen van andere mechanismen zoals locomotieven en waterpompen.
Opgeloste oefeningen
Oefening 1
Je hebt 40 liter gas bij een temperatuur van 27 ºC. Zoek de volumetoename wanneer warmte isobaar wordt toegevoegd tot 100 ºC.
Oplossing
De wet van Charles wordt gebruikt om het uiteindelijke volume te bepalen, maar wees voorzichtig: de temperaturen moeten worden uitgedrukt in Kelvin, waarbij je bij elke temperatuur 273 K optelt:
27 ºC = 27 + 273 K = 300 K
100 ºC = 100 + 273 K = 373 K
Van:
Ten slotte is de volumetoename V 2 - V 1 = 49,7 L - 40 L = 9,7 L.
Oefening 2
Een ideaal gas wordt geleverd met 5,00 x 10 3 J energie om 2,00 x 10 3 J aan zijn omgeving te werken in een isobaar proces. Het vraagt om te vinden:
a) De verandering in de interne energie van het gas.
b) De volumeverandering wanneer nu de interne energie afneemt met 4,50 x 10 3 J en 7,50 x 10 3 J uitgestoten uit het systeem, aangezien een constante druk van 1,01 x 10 5 Pa.
Oplossing voor
∆U = Q - W wordt gebruikt en de waarden in de verklaring worden vervangen: Q = 5,00 x 10 3 J en W = 2,00 x 10 3 J:
De verklaring stelt dat de interne energie afneemt, dus: ∆U = - 4,50 x 10 3 J. Het vertelt ons ook dat er een bepaalde hoeveelheid warmte wordt uitgestoten: Q = -7,50 x 10 3 J. In beide gevallen is het teken negatief staat voor afname en verlies, dan:
Waar P = 1,01 x 10 5 Pa. Omdat alle eenheden zich in het internationale systeem bevinden, gaan we verder met het oplossen van de volumeverandering:
Omdat de volumeverandering negatief is, betekent dit dat het volume is afgenomen, dat wil zeggen dat het systeem is ingekrompen.
Referenties
- Byjou's. Isobaar proces. Hersteld van: byjus.com.
- Cengel, Y. 2012. Thermodynamica. 7e editie. McGraw Hill.
- Proces xyz. Lees meer over het isobare proces. Hersteld van: 10proceso.xyz.
- Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentals of Physics. 9e Ed. Cengage Learning.
- Wikipedia. Gaswetten. Hersteld van: es.wikipedia.org.