Izobarický proces je termodynamický proces změny stavu určitého množství látky, při kterém tlak zůstává konstantní. To, co může změnit, je jedna nebo více jeho stavových veličin. Pokud se do soustavy přenáší teplo, koná se práce a mění se i vnitřní energie soustavy.
V tlakově-objemovém diagramu vede vodorovná čára podle zákona ideálního plynu.
Izobarický proces se řídí Charlesovým zákonem. Podle Charlesova zákona je pro pevnou hmotnost ideálního plynu při konstantním tlaku objem přímo úměrný Kelvintově teplotě.
Isobarické procesy se řídí prvním termodynamickým zákonem. Při těchto procesech se přírůstek energie rovná přírůstku entalpie minus tlak vynásobený přírůstkem objemu:ΔE = ΔH – P – ΔV.
Nezaměňovat s izotermickými procesy, které probíhají za konstantního tlaku, ani s adiabatickými procesy, při nichž nedochází k výměně tepla. Při těchto procesech může docházet ke změně tlaku. Pokud proces probíhá v konstantním objemu, nazývá se izochorický proces.
Příklady izobarických procesů
Pro lepší pochopení tohoto termodynamického procesu nám pomůže několik příkladů.
-
Fáze expanze válce motoru.
-
Vaříme vodu v otevřené nádobě.
-
Ohřívání zeměkoule vlivem slunečního záření.
-
V horkovzdušných balónech se experimentuje s izobarickým a izochronním dějem.
Ohřívání vzduchu v balónu
Na začátku rána představuje určitý tlak, objem a teplotu, jak se vzduch uvnitř ohřívá, tlak se zvyšuje, ale ten se nemění v důsledku zvětšení jeho objemu.
Fáze expanze válce tepelného motoru
Válec v tepelném motoru se může rozšiřovat nebo smršťovat v závislosti na fázi cyklu. Rozpínání vzduchu ve válci s pohyblivým pístem, kterému je dodáváno teplo, probíhá izobarickým procesem. Stejným způsobem se při kompresi izobaricky zmenšuje objem.
Objem se zvětšuje úměrně jeho teplotě a tlak zůstává konstantní. To je v souladu s Charlesovým zákonem.
Vaření vody v otevřené nádobě
Každodenním příkladem izobarického děje je vaření vody v otevřené nádobě. Dodáním tepelné energie vodě stoupne její teplota a změní se v páru.
Získaná pára má vyšší teplotu a zaujímá větší objem, tlak však zůstává konstantní. Od počátku je tlak roven atmosférickému tlaku.
Ohřívání horkovzdušného balónu
Horkovzdušný balón je příkladem izobarického procesu.
Horkovzdušné balóny fungují, protože horký vzduch stoupá. Ohříváním vzduchu uvnitř balónu hořákem se stává lehčím než chladnější vzduch na vnější straně. To způsobí, že se balón vznáší vzhůru, jako by byl ve vodě.
Tlak uvnitř balónu je stejný jako atmosférický. Když pilot přivádí do vzduchu teplo, teplota stoupá. Tím se sníží hustota vzduchu a díky rozdílu mezi jeho hustotou a hustotou vzduchu balón stoupá vzhůru.
Termodynamicky se část tepla přemění na práci, díky níž horkovzdušný balón stoupá vzhůru. Část tohoto tepla se uvolňuje mimo soustavu kvůli termodynamickému kontaktu vnějšího vzduchu a kvůli ztrátám horkého vzduchu při jeho rozpínání.
W 1-2 = P ( V 2 – V 1 ) W 1-2 = n R ( T 2 – T 1 ) Q 1-2 = m c p ( T 2 – T 1 ) Q 1-2 = ( k / ( k -1) ) P ( V 2 – V 1 )
Kde,
-
W 1-2 množství práce vykonané změnou stavu
-
Q 1-2 množství dodaného nebo odebraného tepla
-
P tlak
-
V objem
-
T absolutní teplota
-
n množství prachu (obvykle vyjádřené v molech)
-
m hmotnost látky
-
cp měrné teplo látky při konstantním tlaku
-
k je poměr rovný podílu měrného tepla při konstantním tlaku a konstantním objemu, respektive
.
Z první rovnice vidíme, že pokud se soustava rozpíná (ΔV je kladné), pak soustava koná kladnou práci. Naopak, je-li zvětšení objemu záporné, soustava se smršťuje a práce je záporná.
Stavová rovnice ideálního plynu
Stavová rovnice ideálního plynu (někdy Mendělejevova – Clapeyronova rovnice nebo Clapeyronova rovnice) je vzorec, který stanovuje vztah mezi tlakem, molárním objemem a absolutní teplotou ideálního plynu. Rovnice zní:
pV = nRT
Kde,
p – tlak,
V- objem plynu,
n- množství plynu,
R – univerzální plynová konstanta , R ≈ 8,314 J / (mol⋅K),
T – termodynamická teplota, K kelvin.
.