En isobarisk proces er en termodynamisk procesændring i tilstanden af en bestemt stofmængde, hvor trykket forbliver konstant. Det, den kan ændre, er en eller flere af dens tilstandsvariabler. Hvis der overføres varme til systemet, udføres der arbejde, og systemets indre energi ændres også.
I et tryk-volumen-diagram driver den en vandret linje i henhold til idealgasloven.
Den isobare proces er styret af Charles’ lov. Ifølge Charles’ lov er volumenet for en fast masse af idealgas ved konstant tryk direkte proportionalt med Kelvintemperaturen.
Isobariske processer er reguleret af termodynamikkens første lov. I disse processer er energiforøgelsen lig med stigningen i entalpi minus trykket multipliceret med volumenforøgelsen:ΔE = ΔH – P – ΔV.
Det må ikke forveksles med isoterme processer, som foregår ved konstant tryk, eller med adiabatiske processer, hvor der ikke udveksles varme. I disse processer kan der forekomme en trykændring. Når processen foregår i et konstant volumen, kaldes det en isokorisk proces.
Isobare processer Eksempler
For bedre at forstå denne termodynamiske proces vil det hjælpe os at se et par eksempler.
-
Ekspansionsfasen i cylinderen i en motor.
-
Kog vand i en åben beholder.
-
Opvarmning af en klode på grund af virkningerne af solstråling.
-
Varmluftballoner eksperimenterer med isobarisk og isokronisk proces.
Opvarmning af luften i en ballon
I begyndelsen af morgenen præsenterer den et bestemt tryk, volumen og temperatur, efterhånden som luften indeni opvarmes, stiger trykket, men dette varierer ikke på grund af stigningen i dens volumen.
Cylinderens ekspansionsfase i en varmemotor
Cylinderen i en varmemotor kan udvides eller sammentrækkes afhængigt af cyklens fase. Ekspansionen af luft i en cylinder med et bevægeligt stempel, som tilføres varme, sker ved en isobarisk proces. På samme måde reduceres volumenet isobarisk under kompressionen.
Volumenet vil stige i forhold til dets temperatur, og trykket vil forblive konstant. Dette er i overensstemmelse med Charles lov.
Kogning af vand i en åben beholder
Et dagligdags eksempel på en isobarisk proces er kogning af vand i en åben beholder. Ved at tilføre varmeenergi til vandet stiger det i temperatur og bliver til damp.
Den opnåede damp har en højere temperatur og optager et større volumen, men trykket forbliver dog konstant. Fra begyndelsen er trykket lig med det atmosfæriske tryk.
Opvarmning af en varmluftballon
En varmluftballon er et eksempel på en isobarisk proces.
Varmluftballoner fungerer, fordi varm luft stiger op. Ved at opvarme luften inde i ballonen med brænderen bliver den lettere end den køligere luft på ydersiden. Dette får ballonen til at svæve opad, som om den var i vand.
Det indre tryk i ballonen er det samme som det atmosfæriske. Når piloten injicerer varme i luften, stiger temperaturen. Det får luftens massefylde til at falde, og på grund af forskellen mellem dens massefylde og luftens massefylde stiger ballonen.
Thermodynamisk set bliver en del af varmen omdannet til arbejde, hvilket får varmluftballonen til at stige op. En del af denne varme frigives uden for systemet på grund af den termodynamiske kontakt med den ydre luft og på grund af tabet af varmluft, når den udvides.
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 )
Hvor,
-
W 1-2 mængden af arbejde udført ved tilstandsændringen
-
Q 1-2 den mængde varme, der tilføres eller fjernes
-
P tryk
-
V volumen
-
T den absolutte temperatur
-
n mængden af støv (normalt udtrykt i mol)
-
m stoffets masse
-
cp stoffets specifikke varme ved konstant tryk
-
k er et forhold, der er lig med kvotienten af den specifikke varme ved konstant tryk og konstant volumen, henholdsvis
Fra den første ligning kan vi se, at hvis systemet udvider sig (ΔV er positivt), udfører systemet positivt arbejde. Hvis volumenforøgelsen derimod er negativ, trækker systemet sig sammen, og arbejdet er negativt.
Ligningen for tilstanden af en idealgas
Ligningen for tilstanden af en idealgas (undertiden Mendeleev – Clapeyron-ligningen eller Clapeyron-ligningen) er en formel, der fastlægger forholdet mellem tryk, molvolumen og den absolutte temperatur for en idealgas. Ligningen er:
pV = nRT
Hvor,
p – tryk,
V- gasvolumen,
n- mængden af gas,
R – universel gaskonstant , R ≈ 8,314 J / (mol⋅K),
T – termodynamisk temperatur, K kelvin.