Un proces izobarian este un proces termodinamic de schimbare a stării unei anumite cantități de materie în care presiunea rămâne constantă. Ceea ce se poate modifica este una sau mai multe dintre variabilele sale de stare. Dacă se transferă căldură în sistem, se efectuează lucru și se modifică și energia internă a sistemului.
Într-o diagramă presiune-volum, conduce o linie orizontală conform legii gazelor ideale.
Procesul izobară este guvernat de legea lui Charles. Conform legii lui Charles, pentru o masă fixă de gaz ideal la presiune constantă, volumul este direct proporțional cu temperatura Kelvin.
Procesele izobare sunt reglementate de prima lege a termodinamicii. În aceste procese, creșterea de energie este egală cu creșterea entalpiei minus presiunea înmulțită cu creșterea de volum:ΔE = ΔH – P – ΔV.
Nu trebuie confundat cu procesele izotermice, care se desfășoară la presiune constantă sau cu procesele adiabatice, care nu fac schimb de căldură. În aceste procese, poate avea loc o schimbare de presiune. Când procesul se realizează într-un volum constant, se numește proces izocoric.
Exemple de procese izobare
Pentru a înțelege mai bine acest proces termodinamic, ne va ajuta să vedem câteva exemple.
-
Faza de expansiune a cilindrului unui motor.
-
Se fierbe apă într-un recipient deschis.
-
Încălzirea unui glob pământesc ca urmare a efectelor radiației solare.
-
Baloanele cu aer cald experimentează procese izobare și izocronice.
Încălzirea aerului unui balon
La începutul dimineții acesta prezintă o anumită presiune, volum și temperatură, pe măsură ce aerul din interior se încălzește, presiunea crește, dar aceasta nu variază datorită creșterii volumului său.
Faza de expansiune a cilindrului unui motor termic
Cilindrul unui motor termic poate fi extins sau contractat în funcție de faza ciclului. Dilatarea aerului într-un cilindru cu piston mobil, căruia i se furnizează căldură, se realizează printr-un proces izobarian. În același mod, în timpul comprimării, volumul se reduce izobarian.
Volumul va crește proporțional cu temperatura sa, iar presiunea va rămâne constantă. Acest lucru este în conformitate cu legea lui Charles.
Fierberea apei într-un recipient deschis
Un exemplu cotidian al unui proces izobarian este fierberea apei într-un recipient deschis. Prin furnizarea de energie termică apei, aceasta crește în temperatură și se transformă în abur.
Vaporul obținut are o temperatură mai mare și ocupă un volum mai mare, însă presiunea rămâne constantă. De la început, presiunea este egală cu presiunea atmosferică.
Încălzirea unui balon cu aer cald
Un balon cu aer cald este un exemplu de proces izobarian.
Baloanele cu aer cald funcționează pentru că aerul cald se ridică. Prin încălzirea aerului din interiorul balonului cu ajutorul arzătorului, acesta devine mai ușor decât aerul mai rece din exterior. Acest lucru face ca balonul să plutească în sus, ca și cum ar fi în apă.
Presiunea din interiorul balonului este aceeași cu cea atmosferică. Când pilotul injectează căldură în aer, temperatura crește. Aceasta face să scadă densitatea aerului și, datorită diferenței dintre densitatea acestuia și cea a aerului, balonul urcă.
Termodinamic, o parte din căldură este transformată în muncă făcând ca balonul cu aer cald să se ridice. O parte din această căldură este eliberată în afara sistemului din cauza contactului termodinamic cu aerul exterior și din cauza pierderii de aer cald atunci când acesta se dilată.
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 )
Unde,
-
W 1-2 cantitatea de lucru efectuată prin schimbarea de stare
-
Q 1-2 cantitatea de căldură furnizată sau eliminată
-
P presiunea
-
V volumul
-
T temperatura absolută
-
n cantitatea de praf (exprimată de obicei în moli)
-
m masa substanței
-
cp căldura specifică a substanței la presiune constantă
-
k este un raport egal cu coeficientul dintre căldura specifică la presiune constantă și volum constant, respectiv
.
Din prima ecuație se poate observa că, dacă sistemul se dilată (ΔV este pozitiv), atunci sistemul efectuează un lucru pozitiv. Dimpotrivă, dacă creșterea volumului este negativă, sistemul se contractă și lucrul este negativ.
Ecuația de stare a unui gaz ideal
Ecuația de stare a unui gaz ideal (uneori ecuația Mendeleev – Clapeyron sau ecuația lui Clapeyron) este o formulă care stabilește relația dintre presiunea, volumul molar și temperatura absolută a unui gaz ideal. Ecuația este:
pV = nRT
Unde,
p – presiunea,
V- volumul gazului,
n- cantitatea de gaz,
R – constanta universală a gazelor , R ≈ 8,314 J / (mol⋅K),
T – temperatura termodinamică, K kelvin.
.