Izobaryczny

Izobaryczny (od greckiego iso „równy” i baros „ciśnienie”) określa proces, stan lub warunek, w którym ciśnienie pozostaje stałe. Termin najczęściej używany jest w termodynamice, fizyce oraz w chemii przy opisie przemian gazów i cieczy.

Definicja

Proces izobaryczny jest to przemiana termodynamiczna zachodząca przy niezmiennym ciśnieniu zewnętrznym. W takim procesie zmiany energii wewnętrznej i entalpii substancji są powiązane ze zmianą temperatury oraz objętości, natomiast ciśnienie pozostaje stałe:

p = const.

Podstawy teoretyczne

Równania opisujące przemianę izobaryczną

Dla gazu doskonałego (gaz doskonały) zachodzi prawo:
pV = nRT
przy stałym p → V ∝ T.
Zmiana energii wewnętrznej:
ΔU = nC_VΔT
gdzie C_V to pojemność cieplna przy stałej objętości.
Zmiana entalpii (entalpia):
ΔH = nC_pΔT
przy stałym ciśnieniu p.
Praca wykonana przez układ:
W = pΔV
(ponieważ p jest stałe, praca jest proporcjonalna do zmiany objętości).

Związek z innymi procesami

W przeciwieństwie do procesów izotermicznych (stała temperatura) oraz adiabatycznych (brak wymiany ciepła), proces izobaryczny charakteryzuje się wymianą ciepła, która może być wyrażona jako:

Q = ΔU + W = nC_pΔT

Historia i rozwój pojęcia

Pierwsze formalne opracowania przemian izobarycznych pojawiły się w XIX wieku w pracach J. Willarda Gibbs’a oraz R. Clapeyrona, którzy wprowadzili pojęcie entalpii i zestawili ją z warunkami stałego ciśnienia. W późniejszych latach, wraz z rozwojem kinetyki gazu, pojęcie izobaryczności stało się fundamentem w analizie procesów przemysłowych, m.in. w silnikach spalinowych i refrigeracji.

Zastosowanie

Procesy izobaryczne są wykorzystywane w wielu dziedzinach:

Przemiany chemiczne – w reakcjach prowadzonych w otwartym naczyniu lub pod stałym ciśnieniem atmosferycznym.
Inżynieria chemiczna – przy projektowaniu reaktorów, gdzie ciśnienie jest utrzymywane na stałym poziomie, aby zapewnić stabilność procesu.
Termodynamika silników – w cyklu Otto i w cyklu Stirlinga części przemian odbywają się przy stałym ciśnieniu.
Metrologia – przy kalibracji przyrządów pomiarowych, które muszą działać przy określonym, niezmiennym ciśnieniu.

Przykłady praktyczne

Rozważmy podgrzewanie zamkniętego cylindra z gazem doskonałym, w którym ciśnienie jest regulowane za pomocą tłoka poruszającego się swobodnie pod stałym obciążeniem. W miarę podgrzewania gaz się rozpręża, zwiększając objętość. Dzięki stałemu p można w prosty sposób wyznaczyć ilość dostarczonego ciepła:

Q = nC_p (T_2 - T_1)

gdzie T_1 i T_2 to temperatury początkowa i końcowa.

Powiązane pojęcia

Bibliografia

Gibbs, J. W. – On the Equilibrium of Heterogeneous Substances, 1876.
Clapeyron, B. – Thermodynamics and the Free Energy, 1875.
Callen, H. B. – Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, 1985.