आइसोबैरिक प्रक्रिया: सूत्र, समीकरण, प्रयोग, अभ्यास - शारीरिक - 2025

एक आइसोबैरिक प्रक्रिया में, एक सिस्टम का दबाव पी स्थिर रखा जाता है। उपसर्ग "आइसो" ग्रीक से आता है और यह निरूपित करने के लिए उपयोग किया जाता है कि कुछ स्थिर रहता है, जबकि "बैरो", ग्रीक से भी, जिसका अर्थ है वजन।

बंद कंटेनरों और खुले स्थानों में दोनों में आइसोबैरिक प्रक्रियाएं बहुत विशिष्ट हैं, उन्हें प्रकृति में पता लगाना आसान है। इससे हमारा तात्पर्य है कि वायुमंडल में पृथ्वी की सतह या रासायनिक अभिक्रियाओं पर होने वाले रासायनिक परिवर्तनों से वातावरण के लिए खुला परिवर्तन संभव है।

चित्रा 1. आइसोबैरिक प्रक्रिया: नीली क्षैतिज रेखा एक आइसोबार है, जिसका अर्थ है निरंतर दबाव। स्रोत: विकिमीडिया कॉमन्स

कुछ उदाहरण सूरज में हवा से भरे गुब्बारे को पकाने, खाना पकाने, उबलने या ठंडे पानी, बॉयलर में उत्पन्न भाप या गर्म हवा के गुब्बारे को ऊपर उठाने की प्रक्रिया द्वारा प्राप्त किए जाते हैं। हम बाद में इन मामलों का स्पष्टीकरण देंगे।

सूत्र और समीकरण

आइए इसोबैरिक प्रक्रिया के लिए एक समीकरण प्राप्त करें, जिसमें यह माना गया है कि अध्ययन के तहत प्रणाली एक आदर्श गैस है, जो दबाव के 3 वायुमंडलों में लगभग किसी भी गैस के लिए काफी उपयुक्त है। आदर्श गैस के कण बेतरतीब ढंग से चलते हैं, अंतरिक्ष की पूरी मात्रा पर कब्जा कर लेते हैं जो एक दूसरे के साथ बातचीत किए बिना उनमें शामिल हैं।

यदि एक चल पिस्टन के साथ लगे सिलेंडर में संलग्न आदर्श गैस को धीरे-धीरे विस्तार करने की अनुमति दी जाती है, तो यह माना जा सकता है कि उसके कण हर समय संतुलन में हैं। तब गैस क्षेत्र के पिस्टन पर बल लगाता है

जहां पी गैस का दबाव है। इस बल द्वारा दिए गए पिस्टन में एक infinitesimal विस्थापन dx का उत्पादन काम करता है:

चूंकि उत्पाद Adx एक वॉल्यूम अंतर dV है, तो dW = pdV। यह गैस द्वारा किए गए कुल काम को प्राप्त करने के लिए प्रारंभिक वॉल्यूम V _A से अंतिम वॉल्यूम V _B तक दोनों पक्षों को एकीकृत करने के लिए बना हुआ है:

यदि theV पॉजिटिव है, तो गैस फैलती है और विपरीत तब होता है जब negativeV ऋणात्मक होता है। आइसोबैरिक प्रक्रिया का दबाव बनाम वॉल्यूम ग्राफ (पीवी आरेख) राज्यों ए और बी में शामिल होने वाली एक क्षैतिज रेखा है, और किया गया कार्य केवल वक्र के नीचे आयताकार क्षेत्र के बराबर होता है।

प्रयोगों

वर्णित स्थिति को प्रयोगात्मक रूप से एक चल पिस्टन के साथ प्रदान किए गए सिलेंडर के अंदर एक गैस को परिभाषित करके सत्यापित किया जाता है, जैसा कि आंकड़े 2 और 3 में दिखाया गया है। पिस्टन पर द्रव्यमान एम का एक वजन रखा जाता है, जिसका वजन नीचे की ओर निर्देशित होता है, जबकि गैस यह पिस्टन पर पैदा होने वाले दबाव P की बदौलत एक ऊपर की ओर बल लगाता है।

चित्रा 2. प्रयोग जिसमें लगातार दबाव में एक सीमित गैस का विस्तार होता है। स्रोत: एफ। ज़पाटा

चूँकि पिस्टन स्वतंत्र रूप से चलने में सक्षम होता है, इसलिए गैस का आयतन बिना किसी समस्या के बदल सकता है, लेकिन दबाव स्थिर रहता है। वायुमंडलीय दबाव P _{atm को} जोड़ना, जो नीचे की ओर बल लगाता है, हमारे पास है:

इसलिए: P = (Mg / A) + P _atm भिन्न नहीं होता है, जब तक कि M को संशोधित नहीं किया जाता है और इस प्रकार वजन होता है। सिलेंडर में गर्मी जोड़कर, गैस इसकी मात्रा बढ़ाकर विस्तार करेगी या गर्मी दूर होने पर यह अनुबंध करेगी।

आदर्श गैस में आइसोबैरिक प्रक्रियाएं

राज्य का आदर्श गैस समीकरण महत्व के चर से संबंधित है: दबाव P, आयतन V और तापमान T:

यहाँ n मोल्स की संख्या का प्रतिनिधित्व करता है और R आदर्श गैस स्थिरांक (सभी गैसों के लिए मान्य) है, जिसकी गणना बोल्टोगमन के अवलोग्रो की संख्या से स्थिर होने पर की जाती है, जिसके परिणामस्वरूप:

आर = 8.31 जे / मोल के

जब दबाव स्थिर होता है, तो राज्य के समीकरण को इस प्रकार लिखा जा सकता है:

लेकिन n / P स्थिर है, क्योंकि n, R, और P हैं। इसलिए जब सिस्टम 1 से राज्य 2 तक जाता है, तो निम्न अनुपात उत्पन्न होता है, जिसे चार्ल्स के नियम के रूप में भी जाना जाता है:

चित्रा 3. निरंतर दबाव में गैस विस्तार दिखाते हुए एनीमेशन। तापमान के एक समारोह के रूप में वॉल्यूम के ग्राफ पर, जो एक रेखा है। स्रोत: विकिमीडिया कॉमन्स नासा का ग्लेन रिसर्च सेंटर।

W = PΔV में प्रतिस्थापित, हम एक थर्मामीटर से मापने के लिए आसान स्थिरांक और तापमान भिन्नता के संदर्भ में, राज्य 1 से 2 तक जाने के लिए किए गए कार्य प्राप्त करते हैं:

इसका मतलब यह है कि गैस में एक निश्चित मात्रा में गर्मी क्यू जोड़ने से आंतरिक ऊर्जा increasesU बढ़ जाती है और इसके अणुओं के कंपन में वृद्धि होती है। इस तरह, गैस का विस्तार होता है और पिस्टन को स्थानांतरित करके काम करता है, जैसा कि हमने पहले कहा है।

एक monatomic आदर्श गैस और आंतरिक ऊर्जा whichU की भिन्नता में, जिसमें गतिज ऊर्जा और इसके अणुओं की संभावित ऊर्जा दोनों शामिल हैं:

अंत में, हम उन भावों को जोड़ते हैं जो हम एक में प्राप्त कर रहे हैं:

वैकल्पिक रूप से Q को बड़े पैमाने पर m, तापमान के अंतर और एक नए स्थिरांक के रूप में निरंतर दबाव पर गैस की विशिष्ट ऊष्मा कहा जा सकता है, संक्षिप्त रूप में c _p , जिसकी इकाइयां J / mol K हैं:

उदाहरण

बंद कंटेनर में सभी आइसोबैरिक प्रक्रियाएं नहीं की जाती हैं। वास्तव में, सभी प्रकार की असंख्य थर्मोडायनामिक प्रक्रियाएं वायुमंडलीय दबाव में होती हैं, इसलिए प्रकृति में आइसोबैरिक प्रक्रियाएं बहुत अक्सर होती हैं। इसमें पृथ्वी की सतह पर भौतिक और रासायनिक परिवर्तन शामिल हैं, वायुमंडलों में रासायनिक प्रतिक्रियाएं वायुमंडल में खुलती हैं, और बहुत कुछ।

बंद प्रणालियों में होने वाली आइसोबैरिक प्रक्रियाओं के लिए, उनकी सीमाओं को पर्याप्त रूप से लचीला होना चाहिए ताकि बिना किसी दबाव के वॉल्यूम में बदलाव की अनुमति मिल सके।

गैस के विस्तार में आसानी से चले जाने वाले पिस्टन के प्रयोग में भी यही हुआ था। यह एक पार्टी गुब्बारे या गर्म हवा के गुब्बारे में गैस को घेरने के द्वारा समान है।

यहाँ हमारे समद्विबाहु प्रक्रियाओं के कई उदाहरण हैं:

पानी उबालकर पकाएं

चाय के लिए पानी उबालना या खुले कंटेनरों में सॉस पकाना, आइसोबैरिक प्रक्रियाओं के अच्छे उदाहरण हैं, क्योंकि ये सभी वायुमंडलीय दबाव में होते हैं।

जैसे ही पानी को गर्म किया जाता है, तापमान और मात्रा में वृद्धि होती है और यदि गर्मी को जोड़ना जारी रहता है, तो क्वथनांक अंत में पहुंच जाता है, जिसमें तरल से जल वाष्प तक पानी का चरण परिवर्तन होता है। जबकि ऐसा होता है, तापमान भी 100 happensC पर स्थिर रहता है।

पानी को फ्रीज करें

दूसरी ओर, बर्फ़ीला पानी भी एक इज़ोबैरिक प्रक्रिया है, चाहे वह सर्दियों के दौरान एक झील में हो या घर के फ्रिज में।

धूप में हवा से भरा गुब्बारा गर्म करना

एक समद्विबाहु प्रक्रिया का एक और उदाहरण हवा के साथ फुलाए जाने वाले गुब्बारे के आयतन में परिवर्तन है जब इसे सूर्य के पास छोड़ दिया जाता है। सुबह सबसे पहले, जब यह बहुत गर्म नहीं होता है, तो गुब्बारे में एक निश्चित मात्रा होती है।

जैसे-जैसे समय बीतता है और तापमान बढ़ता है, गुब्बारा भी गर्म हो जाता है, इसकी मात्रा बढ़ जाती है और यह सब निरंतर दबाव में होता है। गुब्बारे की सामग्री एक सीमा का एक अच्छा उदाहरण है जो इतना लचीला है कि इसके अंदर की हवा, जब गर्म होती है, दबाव को संशोधित किए बिना फैल जाती है।

अनुभव को एक तिहाई पानी से भरे ग्लास की बोतल के टोंटी में बिन बुलाए गुब्बारे को समायोजित करके भी किया जा सकता है, जिसे पानी के स्नान में गर्म किया जाता है। जैसे ही पानी गर्म होता है, गुब्बारा तुरंत फुलाता है, लेकिन इस बात का ध्यान रखा जाना चाहिए कि यह ज्यादा गर्म न हो ताकि यह फट न जाए।

एरोस्टैटिक गुब्बारा

यह प्रणोदन के बिना एक अस्थायी जहाज है, जो लोगों और वस्तुओं को ले जाने के लिए वायु धाराओं का उपयोग करता है। गुब्बारा आमतौर पर गर्म हवा से भरा होता है, जो आसपास की हवा की तुलना में अधिक ठंडा होता है, जिससे गुब्बारा उठता है और फैलता है।

यद्यपि वायु धाराएं गुब्बारे को निर्देशित करती हैं, इसमें जलने वाले होते हैं जो गैस को गर्म करने के लिए सक्रिय होते हैं जब यह चढ़ना या ऊंचाई बनाए रखना चाहते हैं, और उतरते या उतरते समय निष्क्रिय हो जाते हैं। यह सब वायुमंडलीय दबाव पर होता है, सतह से बहुत दूर एक निश्चित ऊंचाई पर स्थिर माना जाता है।

चित्रा 4. गर्म हवा के गुब्बारे। स्रोत: पिक्साबे

बॉयलर

पानी को गर्म करने और निरंतर दबाव बनाए रखने से बॉयलर में भाप उत्पन्न होती है। यह भाप तब उपयोगी कार्य करती है, उदाहरण के लिए थर्मोइलेक्ट्रिक पावर प्लांट में बिजली पैदा करना या लोकोमोटिव और पानी पंप जैसे अन्य तंत्रों का संचालन करना।

हल किया अभ्यास

अभ्यास 1

27.C के तापमान पर आपके पास 40 लीटर गैस है। 100.C तक पहुंचने तक गर्मी को समभारिक रूप से जोड़ने पर आयतन वृद्धि ज्ञात कीजिए।

उपाय

चार्ल्स के नियम का उपयोग अंतिम मात्रा निर्धारित करने के लिए किया जाता है, लेकिन सावधान रहें: तापमान केल्विन में व्यक्त किया जाना चाहिए, बस प्रत्येक के लिए 273 K जोड़ना:

27 KC = 27 + 273 K = 300 K

100 3C = 100 + 273 K = 373 K

से:

अंत में वॉल्यूम वृद्धि V ₂ - V ₁ = 49.7 L - 40 L = 9.7 L है।

व्यायाम २

एक आदर्श गैस को 5.00 x 10 ³ J की ऊर्जा के साथ आपूर्ति की जाती है, जो एक आइसोबैरिक प्रक्रिया में अपने परिवेश पर 2.00 x 10 ³ J काम करती है। यह खोजने के लिए कहता है:

a) गैस की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन।

बी) मात्रा में परिवर्तन, अगर अब आंतरिक ऊर्जा ४.५० x १० ^३ जे से घटती है और 10.५० x १० ^३ जे को १.०१ x १० ^५ पा के निरंतर दबाव को देखते हुए, सिस्टम से बाहर निकाल दिया जाता है ।

का हल

GivenU = Q - W का उपयोग किया जाता है और कथन में दिए गए मान प्रतिस्थापित किए जाते हैं: Q = 5.00 x 10 ³ J और W = 2.00 x 10 ³ J:

बयान में कहा गया है कि आंतरिक ऊर्जा कम हो जाती है, इसलिए: =U = - 4.50 x 10 ³ जे। यह भी हमें बताता है कि एक निश्चित मात्रा में गर्मी निष्कासित होती है: क्यू = -7.50 x 10 ³ जे। दोनों मामलों में, हस्ताक्षर नकारात्मक कमी और नुकसान का प्रतिनिधित्व करता है, फिर:

जहाँ P = 1.01 x 10 ⁵ Pa। जैसा कि सभी इकाइयाँ अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली में हैं, हम वॉल्यूम में परिवर्तन के लिए हल करने के लिए आगे बढ़ते हैं:

चूंकि वॉल्यूम परिवर्तन नकारात्मक है, इसका मतलब है कि वॉल्यूम कम हो गया, अर्थात सिस्टम अनुबंधित हो गया।

संदर्भ

1. Byjou है। आइसोबैरिक प्रक्रिया। से पुनर्प्राप्त: byjus.com।
2. सेंगेल, वाई। 2012. थर्मोडायनामिक्स। 7 वां संस्करण। मैकग्रा हिल।
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