PROSES ISOBARIK: RUMUS, PERSAMAAN, EKSPERIMEN, LATIHAN - FISIK

Dalam proses isobarik , tekanan P sistem dijaga agar tetap konstan. Awalan "iso" berasal dari bahasa Yunani dan digunakan untuk menunjukkan bahwa sesuatu tetap konstan, sedangkan "baros", juga dari bahasa Yunani, berarti bobot.

Proses isobarik sangat khas baik dalam wadah tertutup maupun di ruang terbuka, mudah ditemukan di alam. Yang kami maksud adalah bahwa perubahan fisik dan kimiawi di permukaan bumi atau reaksi kimia dalam bejana yang terbuka ke atmosfer adalah mungkin.

Gambar 1. Proses isobarik: garis horizontal biru adalah isobar, yang berarti tekanan konstan. Sumber: Wikimedia Commons.

Beberapa contoh diperoleh dengan memanaskan balon yang berisi udara di bawah sinar matahari, memasak, air mendidih atau membekukan, uap yang dihasilkan dalam ketel, atau proses menaikkan balon udara. Kasus-kasus tersebut akan kami berikan penjelasannya nanti.

Rumus dan persamaan

Mari kita turunkan persamaan untuk proses isobarik dengan asumsi bahwa sistem yang diteliti adalah gas ideal, model yang cukup cocok untuk hampir semua gas pada tekanan kurang dari 3 atmosfer. Partikel gas ideal bergerak secara acak, menempati seluruh volume ruang yang mengandungnya tanpa berinteraksi satu sama lain.

Jika gas ideal yang tertutup dalam silinder yang dilengkapi dengan piston yang dapat digerakkan dibiarkan mengembang secara perlahan, dapat diasumsikan bahwa partikelnya berada dalam kesetimbangan setiap saat. Kemudian gas bekerja pada piston dengan luas A gaya F sebesar:

Dimana p adalah tekanan gas. Gaya ini bekerja menghasilkan perpindahan yang sangat kecil dx di piston yang diberikan oleh:

Karena produk Adx adalah dV diferensial volume, maka dW = pdV. Tetap mengintegrasikan kedua sisi dari volume awal V _A ke volume akhir V _B untuk mendapatkan kerja total yang dilakukan oleh gas:

Jika ΔV positif, gas mengembang dan sebaliknya jika ΔV negatif. Grafik tekanan versus volume (diagram PV) dari proses isobarik adalah garis horizontal yang menghubungkan status A dan B, dan pekerjaan yang dilakukan sama dengan luas persegi panjang di bawah kurva.

Eksperimen

Situasi yang dijelaskan secara eksperimental diverifikasi dengan membatasi gas di dalam silinder yang dilengkapi dengan piston yang dapat digerakkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 dan 3. Berat massa M ditempatkan pada piston, yang beratnya diarahkan ke bawah, sedangkan gas ia memberikan gaya ke atas berkat tekanan P yang dihasilkannya pada piston.

Gambar 2. Eksperimen yang terdiri dari perluasan gas terbatas pada tekanan konstan. Sumber: F. Zapata.

Karena piston dapat bergerak bebas, volume yang ditempati gas dapat berubah tanpa masalah, tetapi tekanannya tetap konstan. Menambahkan tekanan atmosfer P _atm , yang juga memberikan gaya ke bawah, kita memiliki:

Oleh karena itu: P = (Mg / A) + P _atm tidak bervariasi, kecuali M dimodifikasi dan dengan demikian beratnya. Dengan menambahkan panas ke dalam silinder, gas akan mengembang dengan meningkatkan volumenya atau akan berkontraksi saat panas dihilangkan.

Proses isobarik di dalam gas ideal

Persamaan kondisi gas ideal menghubungkan variabel-variabel penting: tekanan P, volume V dan suhu T:

Di sini n melambangkan jumlah mol dan R adalah konstanta gas ideal (berlaku untuk semua gas), yang dihitung dengan mengalikan konstanta Boltzmann dengan bilangan Avogadro, menghasilkan:

R = 8,31 J / mol K

Ketika tekanan konstan, persamaan keadaan dapat ditulis sebagai:

Tetapi nR / P konstan, karena n, R, dan P adalah. Jadi ketika sistem beralih dari kondisi 1 ke kondisi 2, proporsi berikut muncul, juga dikenal sebagai hukum Charles:

Gambar 3. Animasi yang menunjukkan pemuaian gas pada tekanan konstan. Di sebelah kanan grafik volume sebagai fungsi suhu, yang berupa garis. Sumber: Wikimedia Commons. Pusat Penelitian Glenn NASA.

Mengganti W = PΔV, kita mendapatkan pekerjaan yang dilakukan untuk beralih dari keadaan 1 ke 2, dalam hal konstanta dan variasi suhu, mudah diukur dengan termometer:

Ini berarti bahwa menambahkan sejumlah panas Q ke gas akan meningkatkan energi internal ∆U dan meningkatkan getaran molekulnya. Dengan cara ini, gas mengembang dan bekerja dengan menggerakkan piston, seperti yang telah kita katakan sebelumnya.

Dalam gas ideal monatomik dan variasi energi dalam ∆U, yang mencakup energi kinetik dan energi potensial molekulnya, adalah:

Akhirnya, kami menggabungkan ekspresi yang telah kami peroleh menjadi satu:

Sebagai alternatif, Q dapat ditulis ulang dalam bentuk massa m, perbedaan suhu, dan konstanta baru yang disebut kalor jenis gas pada tekanan konstan, disingkat c _p_, yang satuannya J / mol K:

Contoh

Tidak semua proses isobarik dilakukan dalam wadah tertutup. Faktanya, semua jenis proses termodinamika yang tak terhitung banyaknya terjadi pada tekanan atmosfer, sehingga proses isobarik sangat sering terjadi di alam. Ini termasuk perubahan fisik dan kimiawi pada permukaan bumi, reaksi kimia dalam bejana yang terbuka ke atmosfer, dan banyak lagi.

Agar proses isobarik terjadi dalam sistem tertutup, batasnya harus cukup fleksibel untuk memungkinkan perubahan volume tanpa mengubah tekanan.

Inilah yang terjadi pada percobaan piston yang bergerak dengan mudah saat gas mengembang. Begitu pula dengan memasukkan gas ke dalam balon pesta atau balon udara panas.

Di sini kami memiliki beberapa contoh proses isobarik:

Rebus air dan masak

Air mendidih untuk teh atau saus memasak dalam wadah terbuka adalah contoh yang baik dari proses isobarik, karena semuanya berlangsung pada tekanan atmosfer.

Saat air dipanaskan, suhu dan volume meningkat dan jika panas terus ditambahkan, titik didih akhirnya tercapai, di mana terjadi perubahan fasa air dari cair menjadi uap air. Saat ini terjadi, suhu juga tetap konstan pada 100ºC.

Bekukan air

Di sisi lain, air beku juga merupakan proses isobarik, baik yang terjadi di danau selama musim dingin atau di lemari es rumah.

Pemanasan balon berisi udara di bawah sinar matahari

Contoh lain dari proses isobarik adalah perubahan volume balon yang digelembungkan dengan udara saat dibiarkan terpapar sinar matahari.Hal pertama di pagi hari, saat belum terlalu panas, balon memiliki volume tertentu.

Seiring berjalannya waktu dan suhu meningkat, balon juga memanas, meningkatkan volumenya dan semua ini terjadi pada tekanan konstan. Bahan balon adalah contoh yang baik tentang batas yang cukup fleksibel sehingga udara di dalamnya, saat dipanaskan, mengembang tanpa mengubah tekanan.

Pengalaman tersebut juga bisa dilakukan dengan menyesuaikan balon yang tidak mengembang di cerat botol kaca yang diisi dengan sepertiga air, yang dipanaskan dalam bak air. Segera setelah air dipanaskan, balon segera mengembang, tetapi harus berhati-hati agar tidak terlalu panas agar tidak meledak.

Balon aerostatik

Ini adalah kapal terapung tanpa tenaga penggerak, yang menggunakan arus udara untuk mengangkut orang dan benda. Balon biasanya diisi dengan udara panas, yang, karena lebih dingin dari udara di sekitarnya, naik dan mengembang sehingga menyebabkan balon naik.

Meskipun aliran udara mengarahkan balon, balon memiliki pembakar yang diaktifkan untuk memanaskan gas saat Anda ingin naik atau mempertahankan ketinggian, dan dinonaktifkan saat turun atau mendarat. Semua ini terjadi pada tekanan atmosfer, diasumsikan konstan pada ketinggian tertentu tidak jauh dari permukaan.

Gambar 4. Balon udara panas. Sumber: Pixabay.

Boiler

Uap dihasilkan dalam boiler dengan memanaskan air dan mempertahankan tekanan konstan. Steam ini kemudian melakukan pekerjaan yang berguna, misalnya menghasilkan listrik di pembangkit listrik termoelektrik atau mengoperasikan mekanisme lain seperti lokomotif dan pompa air.

Latihan terselesaikan

Latihan 1

Anda memiliki 40 liter gas dengan suhu 27 ºC. Temukan peningkatan volume saat panas ditambahkan secara isobarik hingga mencapai 100 ºC.

Larutan

Hukum Charles digunakan untuk menentukan volume akhir, tetapi hati-hati: suhu harus dinyatakan dalam Kelvin, cukup tambahkan 273 K ke masing-masing:

27 ºC = 27 + 273 K = 300 K.

100 ºC = 100 + 273 K = 373 K

Dari:

Akhirnya peningkatan volume adalah V ₂ - V ₁ = 49,7 L - 40 L = 9,7 L.

Latihan 2

Gas ideal disuplai dengan energi 5,00 x 10 ³ J untuk melakukan kerja 2,00 x 10 ³ J di sekitarnya dalam proses isobarik. Ia meminta untuk menemukan:

a) Perubahan energi internal gas.

b) Perubahan volume, jika sekarang energi dalam berkurang 4,50 x 10 ³ J dan 7,50 x 10 ³ J dikeluarkan dari sistem, dengan mempertimbangkan tekanan konstan 1,01 x 10 ⁵ Pa.

Solusi 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 bahwa energi dalam berkurang, oleh karena itu: ∆U = - 4,50 x 10 ³ J. Pernyataan ini juga menyatakan bahwa sejumlah panas yang dikeluarkan: Q = -7,50 x 10 ³ J.Dalam kedua kasus, tandanya negatif mewakili penurunan dan kerugian, maka:

Di mana P = 1,01 x 10 ⁵ Pa. Karena semua unit berada dalam Sistem Internasional, kita lanjutkan untuk menyelesaikan perubahan volume:

Karena perubahan volume negatif, itu berarti volume berkurang, yaitu sistem berkontraksi.

Referensi

Byjou. Proses Isobarik. Diperoleh dari: byjus.com.
Cengel, Y. 2012. Termodinamika. Edisi ke-7. McGraw Hill.
Proses xyz. Pelajari lebih lanjut tentang proses isobarik. Dipulihkan dari: 10proceso.xyz.
Serway, R., Vulle, C. 2011. Dasar-dasar Fisika. 9th Ed. Cengage Learning.
Wikipedia. Hukum Gas. Diperoleh dari: es.wikipedia.org.

PROSES ISOBARIK: RUMUS, PERSAMAAN, EKSPERIMEN, LATIHAN - FISIK - 2025