Un proceso isobárico es un cambio de proceso termodinámico en el estado de una determinada cantidad de materia en el que la presión permanece constante. Lo que puede cambiar es una o varias de sus variables de estado. Si se transfiere calor al sistema, se realiza trabajo y la energía interna del sistema también cambia.
En un diagrama presión-volumen, conduce una línea horizontal según la ley de los gases ideales.
El proceso isobárico se rige por la ley de Charles. Según la ley de Charles, para una masa fija de gas ideal a presión constante, el volumen es directamente proporcional a la temperatura Kelvin.
Los procesos isobáricos están regulados por la primera ley de la termodinámica. En estos procesos, el aumento de energía es igual al aumento de entalpía menos la presión multiplicado por el aumento de volumen:ΔE = ΔH – P – ΔV.
No hay que confundirlos con los procesos isotérmicos, que se realizan a presión constante o con los procesos adiabáticos, que no intercambian calor. En estos procesos puede producirse un cambio de presión. Cuando el proceso se realiza en un volumen constante se denomina proceso isocórico.
Ejemplos de procesos isobáricos
Para entender mejor este proceso termodinámico, nos ayudará ver un par de ejemplos.
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Fase de expansión del cilindro de un motor.
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Hervir agua en un recipiente abierto.
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Calentamiento de un globo terráqueo por efecto de la radiación solar.
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Los globos de aire caliente experimentan procesos isobáricos e isocrónicos.
Calentamiento del aire de un globo
Al principio de la mañana presenta una determinada presión, volumen y temperatura, a medida que el aire del interior se calienta, la presión aumenta, pero ésta no varía por el aumento de su volumen.
Fase de expansión del cilindro de un motor térmico
El cilindro de un motor térmico puede expandirse o contraerse dependiendo de la fase del ciclo. La expansión del aire en un cilindro con pistón móvil al que se le suministra calor se realiza mediante un proceso isobárico. Del mismo modo, durante la compresión, el volumen se reduce isobáricamente.
El volumen aumentará en proporción a su temperatura y la presión permanecerá constante. Esto está de acuerdo con la Ley de Charles.
Hervir agua en un recipiente abierto
Un ejemplo cotidiano de proceso isobárico es hervir agua en un recipiente abierto. Al suministrar energía calorífica al agua, ésta aumenta su temperatura y se convierte en vapor.
El vapor obtenido tiene una mayor temperatura y ocupa un mayor volumen, sin embargo, la presión permanece constante. Desde el principio la presión es igual a la atmosférica.
Calentar un globo de aire caliente
Un globo de aire caliente es un ejemplo del proceso isobárico.
Los globos de aire caliente funcionan porque el aire caliente sube. Al calentar el aire del interior del globo con el quemador, éste se vuelve más ligero que el aire más frío del exterior. Esto hace que el globo flote hacia arriba, como si estuviera en el agua.
La presión dentro del globo es la misma que la atmosférica. Cuando el piloto inyecta calor en el aire la temperatura aumenta. Esto hace que disminuya la densidad del aire y debido a la diferencia entre su densidad y la del aire, el globo sube.
Termodinámicamente, parte del calor se convierte en trabajo haciendo que el globo de aire caliente suba. Parte de este calor se libera fuera del sistema por el contacto termodinámico del aire exterior y por la pérdida de aire caliente al expandirse.
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 )
Donde,
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W 1-2 la cantidad de trabajo realizado por el cambio de estado
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Q 1-2 la cantidad de calor suministrado o eliminado
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P la presión
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V el volumen
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T la temperatura absoluta
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n la cantidad de polvo (normalmente expresada en moles)
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m la masa de la sustancia
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cp el calor específico de la sustancia a presión constante
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k es una relación igual al cociente del calor específico a presión y volumen constantes respectivamente
De la primera ecuación se desprende que si el sistema se expande (ΔV es positivo), entonces el sistema realiza un trabajo positivo. Por el contrario, si el aumento de volumen es negativo, el sistema se contrae y el trabajo es negativo.
Ecuación de estado de un gas ideal
La ecuación de estado de un gas ideal (a veces la ecuación de Mendeleev – Clapeyron o la ecuación de Clapeyron) es una fórmula que establece la relación entre la presión, el volumen molar y la temperatura absoluta de un gas ideal. La ecuación es:
pV = nRT
Donde,
p – presión,
V- volumen del gas,
n- la cantidad de gas,
R – constante universal de los gases , R ≈ 8,314 J / (mol⋅K),
T – temperatura termodinámica, K kelvin.