PROSES ISOBARIC: FORMULA, PERSAMAAN, EKSPERIMEN, LATIHAN - FIZIKAL - 2025

Dalam proses isobar , tekanan P suatu sistem tetap berterusan. Awalan "iso" berasal dari bahasa Yunani dan digunakan untuk menunjukkan bahawa sesuatu tetap tidak berubah, sementara "baros", juga dari bahasa Yunani, bermaksud berat.

Proses isobaric sangat tipikal di dalam bekas tertutup dan di tempat terbuka, kerana mudah untuk mengesannya di alam semula jadi. Dengan ini kita bermaksud bahawa perubahan fizikal dan kimia di permukaan bumi atau reaksi kimia pada kapal yang terbuka ke atmosfera adalah mungkin.

Rajah 1. Proses isobaric: garis mendatar biru adalah isobar, yang bermaksud tekanan berterusan. Sumber: Wikimedia Commons.

Beberapa contoh diperoleh dengan memanaskan belon yang dipenuhi udara di bawah sinar matahari, memasak, mendidih atau membekukan air, wap yang dihasilkan dalam dandang, atau proses menaikkan belon udara panas. Kami akan memberikan penjelasan mengenai kes-kes ini kemudian.

Formula dan persamaan

Mari kita buat persamaan untuk proses isobarik dengan anggapan bahawa sistem yang dikaji adalah gas yang ideal, model yang cukup sesuai untuk hampir semua gas pada tekanan kurang dari 3 atmosfera. Zarah-zarah gas yang ideal bergerak secara rawak, menempati seluruh isipadu ruang yang mengisinya tanpa saling berinteraksi.

Sekiranya gas ideal yang tertutup dalam silinder yang dilengkapi dengan piston yang bergerak dibiarkan mengembang dengan perlahan, dapat diasumsikan bahawa zarahnya berada dalam keseimbangan setiap saat. Kemudian gas mengeluarkan pada omboh kawasan A kekuatan F magnitud:

Di mana p adalah tekanan gas. Kekuatan ini berfungsi menghasilkan anjakan dx tak terbatas di omboh yang diberikan oleh:

Oleh kerana produk Adx adalah dV pembezaan isipadu, maka dW = pdV. Masih perlu menyatukan kedua-dua sisi dari jilid awal V _A hingga jilid terakhir V _B untuk mendapatkan jumlah kerja yang dilakukan oleh gas:

Sekiranya ΔV positif, gas mengembang dan sebaliknya berlaku apabila ΔV negatif. Graf tekanan berbanding isipadu (rajah PV) proses isobaric adalah garis mendatar yang bergabung dengan keadaan A dan B, dan kerja yang dilakukan sama dengan luas segi empat tepat di bawah lengkung.

Percubaan

Situasi yang dijelaskan disahkan secara eksperimental dengan mengurung gas di dalam silinder yang dilengkapi dengan piston bergerak, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 dan 3. Berat jisim M diletakkan pada omboh, yang beratnya diarahkan ke bawah, sementara gas ia memberikan daya ke atas berkat tekanan P yang dihasilkannya pada omboh.

Rajah 2. Eksperimen yang terdiri daripada pengembangan gas terkurung pada tekanan berterusan. Sumber: F. Zapata.

Oleh kerana piston dapat bergerak dengan bebas, isipadu gas yang ditangkap dapat berubah tanpa masalah, tetapi tekanannya tetap. Menambah tekanan atmosfera P _atm , yang juga memberikan kekuatan ke bawah, kami mempunyai:

Oleh itu: P = (Mg / A) + P _atm tidak berbeza, kecuali M diubah suai dan dengan itu beratnya. Dengan menambahkan haba ke silinder, gas akan mengembang dengan menambah isipadu atau akan berkontrak semasa haba dikeluarkan.

Proses isobarik dalam gas ideal

Persamaan keadaan gas yang ideal menghubungkan pemboleh ubah kepentingan: tekanan P, isipadu V dan suhu T:

Di sini n mewakili bilangan mol dan R adalah pemalar gas ideal (berlaku untuk semua gas), yang dikira dengan mengalikan pemalar Boltzmann dengan nombor Avogadro, menghasilkan:

R = 8.31 J / mol K

Apabila tekanan tetap, persamaan keadaan boleh ditulis sebagai:

Tetapi nR / P tetap, kerana n, R, dan P adalah. Oleh itu, apabila sistem beralih dari keadaan 1 ke keadaan 2, timbul perkadaran berikut, yang juga dikenali sebagai undang-undang Charles:

Rajah 3. Animasi menunjukkan pengembangan gas pada tekanan berterusan. Di sebelah kanan grafik isipadu sebagai fungsi suhu, yang merupakan garis. Sumber: Wikimedia Commons. Pusat Penyelidikan Glenn NASA.

Mengganti dalam W = PΔV, kita memperoleh pekerjaan yang dilakukan untuk pergi dari keadaan 1 hingga 2, dari segi pemalar dan variasi suhu, yang mudah diukur dengan termometer:

Ini bermaksud bahawa menambahkan sejumlah haba Q ke gas meningkatkan tenaga dalaman ΔU dan meningkatkan getaran molekulnya. Dengan cara ini, gas mengembang dan berfungsi dengan menggerakkan omboh, seperti yang telah kita katakan sebelumnya.

Dalam gas ideal monatom dan variasi tenaga dalaman ΔU, yang merangkumi tenaga kinetik dan tenaga berpotensi molekulnya, adalah:

Akhirnya, kami menggabungkan ungkapan yang kami peroleh menjadi satu:

Sebagai alternatif Q dapat ditulis semula dari segi jisim m, perbezaan suhu, dan pemalar baru yang disebut haba gas spesifik pada tekanan malar, disingkat c _{p ,} yang unitnya adalah J / mol K:

Contoh

Tidak semua proses isobarik dilakukan dalam bekas tertutup. Sebenarnya, proses termodinamik yang tidak terkira banyaknya berlaku pada tekanan atmosfera, jadi proses isobarik sangat sering terjadi. Ini termasuk perubahan fizikal dan kimia ke permukaan Bumi, reaksi kimia di kapal yang terbuka ke atmosfera, dan banyak lagi.

Agar proses isobarik berlaku dalam sistem tertutup, batasnya mesti cukup fleksibel untuk memungkinkan perubahan jumlah tanpa tekanan yang berbeza-beza.

Inilah yang berlaku dalam eksperimen omboh yang mudah bergerak ketika gas mengembang. Sama dengan memasukkan gas ke dalam balon pesta atau belon udara panas.

Di sini kita mempunyai beberapa contoh proses isobaric:

Rebus air dan masak

Air mendidih untuk teh atau memasak sos di dalam bekas terbuka adalah contoh baik proses isobarik, kerana semuanya berlaku pada tekanan atmosfera.

Semasa air dipanaskan, suhu dan isipadu meningkat dan jika panas terus ditambahkan, titik didih akhirnya tercapai, di mana perubahan fasa air dari cecair menjadi wap air berlaku. Walaupun ini berlaku, suhu juga tetap berterusan pada suhu 100ºC.

Bekukan air

Sebaliknya, air beku juga merupakan proses isobar, sama ada ia berlaku di tasik semasa musim sejuk atau peti sejuk di rumah.

Memanaskan belon yang dipenuhi udara di bawah sinar matahari

Contoh lain dari proses isobarik ialah perubahan isipadu balon yang dilambung dengan udara ketika dibiarkan terdedah kepada cahaya matahari.Perkara pertama pada waktu pagi, ketika belum terlalu panas, belon mempunyai isipadu tertentu.

Seiring berjalannya waktu dan suhu meningkat, belon juga memanas, meningkatkan isipadu dan semua ini berlaku pada tekanan berterusan. Bahan balon adalah contoh yang baik dari batas yang cukup fleksibel sehingga udara di dalamnya, ketika dipanaskan, mengembang tanpa mengubah tekanan.

Pengalaman itu juga dapat dilakukan dengan menyesuaikan balon yang tidak dilambung di saluran botol kaca yang diisi dengan sepertiga air, yang dipanaskan di tempat mandi air. Sebaik sahaja air dipanaskan, balon mengembang dengan segera, tetapi berhati-hati jangan sampai terlalu panas sehingga tidak meletup.

Belon aerostatik

Ia adalah kapal terapung tanpa dorongan, yang menggunakan arus udara untuk mengangkut orang dan benda. Belon biasanya diisi dengan udara panas, yang, lebih sejuk daripada udara di sekitarnya, naik dan mengembang menyebabkan belon naik.

Walaupun arus udara mengarahkan balon, ia memiliki pembakar yang diaktifkan untuk memanaskan gas ketika diinginkan untuk menaik atau mempertahankan ketinggian, dan dinonaktifkan ketika turun atau mendarat. Semua ini berlaku pada tekanan atmosfera, dianggap tetap pada ketinggian tertentu tidak jauh dari permukaan.

Gambar 4. Belon udara panas. Sumber: Pixabay.

Dandang

Wap dihasilkan dalam dandang dengan memanaskan air dan mengekalkan tekanan berterusan. Wap ini kemudian melakukan kerja yang berguna, misalnya menjana elektrik di loji tenaga termoelektrik atau mengendalikan mekanisme lain seperti lokomotif dan pam air.

Latihan yang diselesaikan

Latihan 1

Anda mempunyai 40 liter gas pada suhu 27 ºC. Cari peningkatan isipadu apabila haba ditambahkan secara isobar sehingga mencapai 100 ºC.

Penyelesaian

Undang-undang Charles digunakan untuk menentukan jilid akhir, tetapi berhati-hati: suhu mesti dinyatakan dalam Kelvin, hanya menambahkan 273 K untuk masing-masing:

27 ºC = 27 + 273 K = 300 K

100 ºC = 100 + 273 K = 373 K

Dari:

Akhirnya peningkatan kelantangan adalah V ₂ - V ₁ = 49.7 L - 40 L = 9.7 L

Latihan 2

Gas yang ideal dibekalkan dengan tenaga 5.00 x 10 ³ J untuk melakukan kerja 2.00 x 10 ³ J di sekitarnya dalam proses isobar. Ia meminta untuk mencari:

a) Perubahan tenaga dalaman gas.

b) Perubahan jumlah, jika sekarang tenaga dalaman menurun sebanyak 4,50 x 10 ³ J dan 7,50 x 10 ³ J dikeluarkan dari sistem, dengan mempertimbangkan tekanan tetap 1,01 x 10 ⁵ Pa.

Penyelesaian untuk

∆U = Q - W digunakan dan nilai yang diberikan dalam pernyataan diganti: Q = 5.00 x 10 ³ J dan W = 2.00 x 10 ³ J:

Pernyataan tersebut menyatakan bahawa tenaga dalaman menurun, oleh itu: ΔU = - 4.50 x 10 ³ J. Ia juga memberitahu kita bahawa sejumlah haba dikeluarkan: Q = -7.50 x 10 ³ J. Dalam kedua-dua kes, tanda negatif mewakili penurunan dan kerugian, maka:

Di mana P = 1,01 x 10 ⁵ Pa. Oleh kerana semua unit berada dalam Sistem Antarabangsa, kami meneruskan penyelesaian untuk perubahan jumlah:

Oleh kerana perubahan volume negatif, ini bermaksud bahawa volume menurun, yakni sistem menguncup.

Rujukan

1. Byjou ni. Proses Isobar. Dipulihkan dari: byjus.com.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamik. Edisi ke-7. Bukit McGraw.
3. Proses xyz. Ketahui lebih lanjut mengenai proses isobaric. Dipulihkan dari: 10proceso.xyz.
4. Serway, R., Vulle, C. 2011. Asas Fizik. Pembelajaran Cengage Ed ke-9.
5. Wikipedia. Undang-undang Gas. Dipulihkan dari: es.wikipedia.org.