Isobaarinen prosessi on termodynaamisen prosessin muutos tietyn ainemäärän tilassa, jossa paine pysyy vakiona. Se, mitä se voi muuttaa, on yksi tai useampi sen tilamuuttuja. Jos systeemiin siirtyy lämpöä, tehdään työtä ja myös systeemin sisäenergia muuttuu.
Paine-tilavuus-diagrammissa se ajaa ideaalikaasulain mukaista vaakasuoraa viivaa.
Isobaarista prosessia säätelee Charlesin laki. Charlesin lain mukaan kiinteän massan ideaalikaasun tilavuus on vakiopaineessa suoraan verrannollinen Kelvintemperatuuriin.
Isobaarisia prosesseja säätelee termodynamiikan ensimmäinen laki. Näissä prosesseissa energian lisäys on yhtä suuri kuin entalpian lisäys vähennettynä paineella kerrottuna tilavuuden lisäyksellä:ΔE = ΔH – P – ΔV.
Ei pidä sekoittaa isotermisiin prosesseihin, jotka tapahtuvat vakiopaineessa tai adiabaattisiin prosesseihin, jotka eivät vaihda lämpöä. Näissä prosesseissa voi tapahtua paineen muutos. Kun prosessi tapahtuu vakiotilavuudessa, sitä kutsutaan isokoriseksi prosessiksi.
Isobaarinen prosessi Esimerkkejä
Tämän termodynaamisen prosessin parempaan ymmärtämiseen auttaa pari esimerkkiä.
-
Moottorin sylinterin paisuntavaihe.
-
Kiehauta vettä avoimessa astiassa.
-
Pallon lämpeneminen auringon säteilyn vaikutuksesta.
-
Kuumailmapalloissa kokeillaan isobaarista ja isokronista prosessia.
Pallon ilman lämpeneminen
Aamun alkaessa se esittää tiettyä painetta, tilavuutta ja lämpötilaa, kun sen sisällä oleva ilma lämpenee, paine kasvaa, mutta se ei muutu tilavuuden kasvun vuoksi.
Lämpövoimakoneen sylinterin laajenemisvaihe
Lämpövoimakoneen sylinteri voi laajeta tai supistua syklin vaiheesta riippuen. Ilman laajeneminen sylinterissä, jossa on liikkuva mäntä ja johon syötetään lämpöä, tapahtuu isobaarisen prosessin avulla. Samalla tavalla puristuksen aikana tilavuus pienenee isobaarisesti.
Tilavuus kasvaa suhteessa sen lämpötilaan ja paine pysyy vakiona. Tämä on Kaarlen lain mukaista.
Veden kiehuminen avoimessa astiassa
Arkipäiväinen esimerkki isobaarisesta prosessista on veden kiehuminen avoimessa astiassa. Kun veteen syötetään lämpöenergiaa, sen lämpötila nousee ja se muuttuu höyryksi.
Tuotetun höyryn lämpötila on korkeampi ja sen tilavuus on suurempi, mutta paine pysyy vakiona. Alusta alkaen paine on sama kuin ilmakehän paine.
Kuumailmapallon lämmittäminen
Kuumailmapallo on esimerkki isobaarisesta prosessista.
Kuumailmapallot toimivat, koska kuuma ilma nousee ylös. Kun ilmapallon sisällä olevaa ilmaa lämmitetään polttimella, siitä tulee kevyempää kuin ulkopuolella olevasta viileämmästä ilmasta. Tämä saa ilmapallon leijumaan ylöspäin, ikään kuin se olisi vedessä.
Pallon sisällä oleva paine on sama kuin ilmakehän paine. Kun ohjaaja ruiskuttaa lämpöä ilmaan, lämpötila nousee. Se saa ilman tiheyden pienenemään ja ilmapallon ja ilman tiheyden välisen eron vuoksi ilmapallo nousee ylöspäin.
Termodynaamisesti osa lämmöstä muuttuu työksi, jolloin kuumailmapallo nousee ylöspäin. Osa tästä lämmöstä vapautuu systeemin ulkopuolelle ulkoilman termodynaamisen kosketuksen vuoksi ja koska kuuma ilma häviää laajentuessaan.
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 )
Missä,
-
W 1-2 tilanmuutoksen tekemän työn määrä
-
Q 1-2 syötetyn tai poistetun lämmön määrä
-
P paine
-
V tilavuus
-
T absoluuttinen lämpötila
-
n pölyn määrä (ilmaistaan yleensä mooleina)
-
m aineen massa
-
cp aineen ominaislämpö vakiopaineessa
-
k on suhdeluku, joka on yhtä suuri kuin vakiopaineessa ja vakiotilavuudessa vallitsevan ominaislämmön osamäärä, vastaavasti
Ensimmäisestä yhtälöstä nähdään, että jos systeemi laajenee (ΔV on positiivinen), systeemi tekee positiivista työtä. Päinvastoin, jos tilavuuden kasvu on negatiivinen, systeemi supistuu ja työ on negatiivinen.
Ideaalikaasun olotilayhtälö
Ideaalikaasun olotilayhtälö (joskus myös Mendelejevin-Clapeyronin yhtälö tai Clapeyronin yhtälö) on kaava, joka määrittää ideaalikaasun paineen, molaarisen tilavuuden ja absoluuttisen lämpötilan välisen suhteen. Yhtälö on:
pV = nRT
Jossa,
p – paine,
V- kaasun tilavuus,
n- kaasun määrä,
R – yleiskaasuvakio , R ≈ 8,314 J / (mol⋅K),
T – termodynaaminen lämpötila, K kelvin.