Ізобарний проце́с (від грец. ísos — рівний, báros — вага) — термодинамічний процес, який відбувається при сталому тиску. Прикладом ізобаричного процесу може бути нагрівання води у відкритій посудині, або розширення газу у циліндрі з поршнем, який може вільно пересуватися. В обох випадках тиск дорівнює атмосферному.
При ізобаричному процесі об'єм ідеального газу прямопропорційний температурі (див. Закон Гей-Люссака).
На графіках процес зображується лініями, які називаються ізобарами. Для ідеального газу вони є прямими у всіх діаграмах, які пов'язують параметри T (температура), V (об'єм) і P (тиск).
Робота, внутрішня енергія та кількість теплоти при ізобарному процесі
З визначення роботи слідує, що макроскопічна робота при нескінченно малій зміні об'єму на величину dV при ізобаричному процесі дорівнює:
Повна робота процесу визначається інтегралом від даного виразу:
- ,
де ΔV — зміна об'єму.
Розглядаючи графік ізобаричного процесу у координатах (p, V) отримати цей результат простіше. Графічно робота є площа фігури під кривою. У випадку ізобаричного процесу це площа прямокутника, яку знаходять за формулою, яку отримано в результаті інтегрування.
Якщо в останній формулі використати рівняння стану ідеального газу, то можна отримати такий результат:
Де, ν — кількість речовини, R — універсальна газова стала, ΔT — зміна температури.
Зміна внутрішньої енергії ідеального газу може бути знайдена за формулою:
- ,
де і — число ступенів вільності, яке залежить від кількості атомів у молекулі (3 для одноатомної (наприклад, водень), 5 для двоатомної (наприклад, кисень) і 6 для триатомної і більше (наприклад, молекула водяної пари)).
З визначення та формули теплоємності, формулу для внутрішньої енергії можна переписати у вигляді:
- ,
де — молярна теплоємність при сталому об'ємі.
Застосувавши перше начало термодинаміки можна знайти кількість теплоти при ізобаричному процесі:
Тепер до цієї формули підставимо значення роботи та зміни внутрішньої енергії:
Застосувавши () отримаємо:
- ,
де — молярна теплоємність при сталому тиску.
Теплоємність системи при ізобаричному процесі більша, ніж при ізохоричному, оскільки теплота потрібна не тільки для зміни внутрішньої енергії термодинамічної системи, а й для виконання цією системою роботи.
Всі формули, які подано вище виводилися з урахуванням незмінної маси речовини під час процесу, або відсутності параметра порядку при хімічній реакції.
Зв'язок з ентальпією
Ізохоричний процес проходить без виконання роботи. Таким чином перше начало термодинаміки для такого процесу записується так: . Тобто кількість теплоти, які отримала чи втратила система, дорівнює зміні функції стану, у цьому випадку внутрішньої енергії. Було б зручно, якщо б для ізобаричного процесу існувало схоже рівняння.
Ще раз перепишемо перший закон термодинаміки для ізобаричного процесу у загальному диференціальному вигляді:
За властивістю диференціала (сума диференціалів дорівнює диференціалу суми) перепишемо це рівняння у такому вигляді:
- .
Визначена функція стану (термодинамічний потенціал), яка виражається формулою називається ентальпією і позначається символом H (іноді Е). Отже, ізобаричний процес можна описати рівнянням:
- .
Ентропія ізобаричного процесу
Оскільки у системі при ізобаричному процесі відбувається теплообмін із зовнішнім середовищем, то відбувається зміна ентропії. З визначення ентропії випливає:
Вище вже було виведено формулу для визначення кількості теплоти. Перепишемо її у диференціальному вигляді:
- ,
де ν — кількість речовини, — молярна теплоємність при сталому тиску. Отже, мікроскопічна зміна ентропії при ізобаричному процесі може бути визначена за формулою:
Або, якщо проінтегруємо останній вираз, повна зміна ентропії після проходження процесу:
У цьому випадку виносити вираз молярної теплоємності при сталому тиску за знак інтегралу не можна, оскільки вона є функцією, яка залежить від температури.
Зміна густини
Оскільки маса газу залишається незмінною, але об'єм змінюється, то змінюється його густина. Таким чином, рівняння стану ідеального газу можна переписати так:
- ,
де m — маса речовини, R — універсальна газова стала, T — температура, P — тиск, V — об'єм, μ — молярна маса речовини, ρ — густина речовини.
Оскільки тиск, молярна маса та газова стала — незмінні величини, то з останньої рівності випливає, що:
Отже, при ізобаричному процесі густина ідеального газу обернено-пропорційна температурі. Для реального газу таке твердження несправедливе.
Див. також
- (Ізотермічний процес)
- Ізохоричний процес
- Адіабатичний процес
- Теплоємність
- Ентальпія
Використана література
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет