İZOBARIK SÜREÇ: FORMÜLLER, DENKLEMLER, DENEYLER, ALIŞTIRMALAR - FIZIKSEL - 2025

Bir in izobarik usul , bir sistem basıncı P sabit tutulur. "İso" ön eki Yunancadan gelir ve bir şeyin sabit kaldığını belirtmek için kullanılırken, yine Yunancada "baros" ağırlık anlamına gelir.

İzobarik süreçler, hem kapalı kaplarda hem de açık alanlarda çok tipiktir ve doğada konumlandırılması kolaydır. Bununla, dünya yüzeyinde fiziksel ve kimyasal değişikliklerin veya atmosfere açık gemilerde kimyasal reaksiyonların mümkün olduğunu kastediyoruz.

Şekil 1. İzobarik süreç: mavi yatay çizgi, sabit basınç anlamına gelen bir izobardır. Kaynak: Wikimedia Commons.

Güneşte hava ile dolu bir balonu ısıtmak, suyu pişirmek, kaynatmak veya dondurmak, kazanlarda üretilen buhar veya bir sıcak hava balonu kaldırma işlemi ile bazı örnekler elde edilir. Bu davaların bir açıklamasını daha sonra vereceğiz.

Formül ve denklemler

İncelenen sistemin ideal bir gaz olduğunu varsayarak izobarik işlem için bir denklem elde edelim, 3 atmosfer basıncından daha düşük hemen hemen her gaz için oldukça uygun bir model. İdeal gaz parçacıkları rastgele hareket eder, birbirleriyle etkileşime girmeden onları içeren alanın tüm hacmini kaplar.

Hareketli bir pistonla donatılmış bir silindirde bulunan ideal gazın yavaşça genişlemesine izin verilirse, parçacıklarının her zaman dengede olduğu varsayılabilir. Daha sonra gaz, A bölgesinin pistonuna F büyüklüğünde bir kuvvet uygular:

P, gazın basıncıdır. Bu kuvvet, aşağıdaki şekilde verilen pistonda sonsuz küçük bir dx yer değiştirme yaratarak çalışır:

Adx ürünü bir hacim farkı dV olduğundan, dW = pdV olur. Gaz tarafından yapılan toplam işi elde etmek için her iki tarafı da başlangıç ​​hacmi V _A'dan son hacim V _B'ye entegre etmeye devam etmektedir :

ΔV pozitifse, gaz genişler ve ΔV negatif olduğunda bunun tersi olur. İzobarik sürecin basınç-hacim grafiği (PV diyagramı), A ve B durumlarını birleştiren yatay bir çizgidir ve yapılan iş basitçe eğrinin altındaki dikdörtgen alana eşittir.

Deneyler

Açıklanan durum, Şekil 2 ve 3'te gösterildiği gibi, hareketli bir pistonla donatılmış bir silindirin içine bir gazın hapsedilmesiyle deneysel olarak doğrulanır. piston üzerinde oluşturduğu P basıncı sayesinde yukarı doğru bir kuvvet uygular.

Şekil 2. Kapalı bir gazın sabit basınçta genişletilmesinden oluşan deney. Kaynak: F. Zapata.

Piston serbestçe hareket edebildiğinden gazın kapladığı hacim sorunsuz değişebilir ancak basınç sabit kalır. Aynı zamanda aşağı doğru bir kuvvet uygulayan atmosferik basıncı P _atm ekleyerek , elimizde:

Bu nedenle: P = (Mg / A) + P _atm , M değiştirilmedikçe ve dolayısıyla ağırlık değişmedikçe değişmez. Silindire ısı ekleyerek, gaz hacmini artırarak genişler veya ısı giderildikçe büzülür.

İdeal gazda izobarik süreçler

İdeal gaz durum denklemi, önemli değişkenleri ilişkilendirir: basınç P, hacim V ve sıcaklık T:

Burada n, mol sayısını temsil eder ve R, Boltzmann sabitinin Avogadro'nun sayısıyla çarpılmasıyla hesaplanan ideal gaz sabitidir (tüm gazlar için geçerlidir):

R = 8.31 J / mol K

Basınç sabit olduğunda, durum denklemi şu şekilde yazılabilir:

Ancak nR / P sabittir, çünkü n, R ve P vardır. Dolayısıyla, sistem durum 1'den durum 2'ye geçtiğinde, Charles yasası olarak da bilinen aşağıdaki oran ortaya çıkar:

Şekil 3. Sabit basınçta gaz genişlemesini gösteren animasyon. Sağ tarafta, sıcaklığın bir fonksiyonu olarak hacim grafiği, bir çizgi. Kaynak: Wikimedia Commons. NASA Glenn Araştırma Merkezi.

W = PΔV olarak değiştirilerek, durum 1'den 2'ye gitmek için yapılan iş, sabitler ve sıcaklık değişimi açısından elde edilir, bir termometre ile ölçülmesi kolaydır:

Bu, gaza belirli miktarda Q ısısının eklenmesinin iç enerji ∆U'yu ve moleküllerinin titreşimlerini artırdığı anlamına gelir. Bu şekilde gaz genişler ve daha önce de söylediğimiz gibi pistonu hareket ettirerek çalışır.

Tek atomlu bir ideal gazda ve moleküllerinin hem kinetik enerjisini hem de potansiyel enerjisini içeren iç enerji ∆U'nun değişimi:

Son olarak, elde ettiğimiz ifadeleri tek bir ifadede birleştiriyoruz:

Alternatif olarak Q, kısaltılmış C, Kütle m, sıcaklık farkı ve sabit basınçta gazın spesifik ısı olarak adlandırılan yeni bir sabit açısından yeniden olabilir _{s ,} olan birimleri Ji / mol K:

Örnekler

Tüm izobarik işlemler kapalı kaplarda gerçekleştirilmez. Aslında, her türden sayısız termodinamik süreç atmosferik basınçta meydana gelir, bu nedenle izobarik süreçler doğada çok sık görülür. Bu, Dünya yüzeyindeki fiziksel ve kimyasal değişiklikleri, atmosfere açık gemilerdeki kimyasal reaksiyonları ve çok daha fazlasını içerir.

İzobarik işlemlerin kapalı sistemlerde gerçekleşmesi için, sınırları, değişen basınç olmaksızın hacimde değişikliklere izin verecek kadar esnek olmalıdır.

Gaz genişledikçe kolayca hareket eden piston deneyinde olan buydu. Bir parti balonuna veya sıcak hava balonuna bir gazı sarmakla aynıdır.

Burada birkaç izobarik süreç örneğimiz var:

Suyu kaynatın ve pişirin

Açık kaplarda çay veya pişirme sosları için kaynatma suyu, hepsi atmosferik basınçta gerçekleştiği için izobarik işlemlerin iyi örnekleridir.

Su ısıtıldıkça sıcaklık ve hacim artar ve ısı ilave edilmeye devam edilirse nihayetinde suyun sıvıdan su buharına faz değişiminin gerçekleştiği kaynama noktasına ulaşılır. Bu olurken, sıcaklık da 100ºC'de sabit kalır.

Suyu dondur

Öte yandan, ister kışın bir gölde, ister evdeki buzdolabında olsun, donma suyu da izobarik bir süreçtir.

Güneşte hava dolu bir balonu ısıtmak

İzobarik bir sürecin bir başka örneği de, güneşe maruz bırakıldığında hava ile şişirilen bir balonun hacminin değişmesidir.İlk iş sabah, henüz çok sıcak olmadığında, balonun belirli bir hacmi vardır.

Zaman geçtikçe ve sıcaklık arttıkça balon da ısınır, hacmi artar ve tüm bunlar sabit basınçta gerçekleşir. Balonun malzemesi, içindeki hava ısıtıldığında basıncı değiştirmeden genişleyecek kadar esnek olan bir sınıra iyi bir örnektir.

Deneyim, su banyosunda ısıtılan, üçte bir suyla doldurulmuş bir cam şişenin ağzındaki şişirilmemiş balonun ayarlanmasıyla da gerçekleştirilebilir. Su ısıtılır ısıtılmaz balon hemen şişer ancak patlamaması için çok fazla ısınmamasına özen gösterilmelidir.

Aerostatik balon

İnsanları ve nesneleri taşımak için hava akımlarını kullanan, itici gücü olmayan yüzen bir gemidir. Balon genellikle çevreleyen havadan daha soğuk olan, yükselen ve genişleyen sıcak hava ile doldurulur ve balonun yükselmesine neden olur.

Hava akımları balonu yönlendirse de, yükselmek veya irtifayı korumak istediğinizde gazı ısıtmak için devreye giren ve alçalırken veya inerken devre dışı bırakılan brülörlere sahiptir. Bütün bunlar, yüzeyden çok uzak olmayan belirli bir yükseklikte sabit kabul edilen atmosferik basınçta gerçekleşir.

Şekil 4. Sıcak hava balonları. Kaynak: Pixabay.

Kazanlar

Buhar kazanlarda suyu ısıtarak ve sabit basınç tutarak üretilir. Bu buhar daha sonra, örneğin termoelektrik enerji santrallerinde elektrik üretmek veya lokomotifler ve su pompaları gibi diğer mekanizmaları çalıştırmak gibi faydalı işler gerçekleştirir.

Çözülmüş egzersizler

1. Egzersiz

27 ºC sıcaklıkta 40 litre gazınız var. Isı izobarik olarak eklendiğinde 100 ºC'ye ulaşana kadar hacim artışını bulun.

Çözüm

Son hacmi belirlemek için Charles yasası kullanılır, ancak dikkatli olun: sıcaklıklar Kelvin cinsinden ifade edilmelidir, her birine 273 K eklenmelidir:

27ºC = 27 + 273 K = 300 K

100 ºC = 100 + 273 K = 373 K

Kimden:

Son olarak, hacim artışı V ₂ - V ₁ = 49,7 L - 40 L = 9,7 L'dir.

Egzersiz 2

İdeal bir gaz , çevresinde izobarik bir işlemde 2,00 x 10 ³ J iş yapmak için 5,00 x 10 ³ J enerji ile sağlanır . Bulmak ister:

a) Gazın iç enerjisindeki değişim.

b) hacim değişikliği, eğer hemen iç enerji 4.50 x 10 azalır ³ J ve 7.50 x 10 ³ J kesilir 1.01 x 10 sabit bir basınç göz önünde sistemi ⁵ Pa.

Çözüm

∆U = Q - W kullanılır ve ifadede verilen değerler ikame edilir: Q = 5.00 x 10 ³ J ve W = 2.00 x 10 ³ J:

Açıklama, iç enerjinin azaldığını belirtir, bu nedenle: ∆U = - 4,50 x 10 ³ J. Ayrıca bize belirli bir miktarda ısının dışarı atıldığını da söyler: Q = -7.50 x 10 ³ J. Her iki durumda da, işaret negatif, düşüşü ve kaybı temsil eder, o zaman:

P = 1.01 x 10 ⁵ Pa olduğunda. Tüm birimler Uluslararası Sistem içinde olduğundan, hacimdeki değişikliği çözmeye devam ediyoruz:

Hacim değişikliği negatif olduğu için hacmin azalması yani sistemin kasılması demektir.

Referanslar

1. Byjou's. İzobarik Süreç. Byjus.com adresinden kurtarıldı.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamik. 7. Baskı. McGraw Hill.
3. Xyz işle. İzobarik süreç hakkında daha fazla bilgi edinin. 10proceso.xyz adresinden kurtarıldı.
4. Serway, R., Vulle, C. 2011. Temel Fizik. 9. Baskı Cengage Learning.
5. Wikipedia. Gaz Kanunları. Es.wikipedia.org adresinden kurtarıldı.