定圧過程、システムの圧力Pが一定に保たれます。接頭辞「iso」はギリシャ語に由来し、何かが一定であることを示すために使用されますが、ギリシャ語の「バロス」は重量を意味します。
等圧プロセスは、閉じたコンテナとオープンスペースの両方で非常に典型的であり、自然界でそれらを見つけるのは簡単です。これは、地表の物理的および化学的変化、または大気に開放された容器内での化学反応が可能であることを意味します。
図1.等圧プロセス：青い水平線は等圧線であり、一定の圧力を意味します。出典：ウィキメディア・コモンズ。
いくつかの例は、太陽が充満した空気で満たされた風船を加熱し、水を沸騰または凍結させ、ボイラーで生成された蒸気、または熱気球を上げるプロセスによって得られます。これらのケースについては後で説明します。
式と方程式
調査中のシステムが理想的なガスであると仮定して、等圧プロセスの方程式を導き出します。これは、3気圧未満のほとんどすべてのガスに非常に適したモデルです。理想的なガス粒子はランダムに移動し、相互に作用することなく、それらを含む空間の全容積を占めます。
可動ピストンが取り付けられたシリンダーに封入された理想気体がゆっくりと膨張する場合、その粒子は常に平衡状態にあると見なすことができます。次に、ガスは領域Aのピストンに大きさの力Fを及ぼします。
ここで、pはガスの圧力です。この力は、次の式で与えられるピストンの微小変位dxを生成します。
積Adxは体積微分dVなので、dW = pdVです。初期体積V Aから最終体積V Bまで両側を統合して、ガスによって行われた総仕事量を取得します。
実験
記述された状況は、図2および3に示すように、可動ピストンを備えたシリンダー内にガスを閉じ込めることによって実験的に検証されています。ピストンに発生する圧力Pにより、上向きの力を発揮します。
図2.閉じ込められたガスを一定の圧力で膨張させる実験。出典：F. Zapata。
ピストンは自由に動くことができるので、ガスが占める体積は問題なく変化しますが、圧力は一定のままです。大気圧P atmを追加すると、下向きの力も作用し、次のようになります。
したがって、P =（Mg / A）+ P atmは、Mが変更されない限り、重量が変更されない限り変化しません。シリンダーに熱を加えることにより、ガスはその体積を増やすことによって膨張するか、熱が取り除かれると収縮します。
理想気体の等圧プロセス
理想的な気体の状態方程式は、重要な変数である圧力P、体積V、温度Tを関連付けます。
ここで、nはモル数を表し、Rは理想的なガス定数（すべてのガスに対して有効）です。これは、ボルツマン定数にアボガドロ数を掛けて計算され、次のようになります。
R = 8.31 J / mol K
圧力が一定の場合、状態方程式は次のように記述できます。
ただし、n、R、およびPは一定であるため、nR / Pは一定です。したがって、システムが状態1から状態2に移行すると、チャールズの法則としても知られる次の比率が生じます。
図3.一定圧力でのガス膨張を示すアニメーション。右側は、線のような、温度の関数としてのボリュームのグラフです。出典：ウィキメディア・コモンズ。NASAのグレン研究センター。
W =PΔVに代入すると、定数1と温度変動の観点から、状態1から2に移行するために行われた作業が得られ、温度計で簡単に測定できます。
これは、ガスに一定量の熱Qを加えると、内部エネルギー∆Uが増加し、その分子の振動が増加することを意味します。このようにして、ガスは膨張し、前に述べたようにピストンを動かすことによって動作します。
単原子の理想気体と、分子の運動エネルギーと位置エネルギーの両方を含む内部エネルギーの変化∆Uは、次のとおりです。
最後に、取得してきた式を1つに結合します。
あるいは、Qは、質量m、温度差、および一定圧力でのガスの比熱と呼ばれる新しい定数（c p と略されます）で書き直すことができます。単位はJ / mol Kです。
例
すべての等圧プロセスが密閉容器で行われるわけではありません。実際、あらゆる種類の無数の熱力学的プロセスが大気圧で発生するので、等圧プロセスは本質的に非常に頻繁です。これには、地球表面の物理的および化学的変化、大気に開放された容器内の化学反応などが含まれます。
等圧プロセスが閉鎖系で発生するためには、圧力の変動なしに体積の変化を許容できるように、その境界が十分に柔軟でなければなりません。
これは、ガスが膨張するにつれて簡単に動くピストンの実験で起こったことでした。パーティ風船や熱気球にガスを封入しても同様です。
ここに、等圧プロセスのいくつかの例があります。
お湯を沸かして調理する
お茶のソースを沸騰させたり、オープンコンテナでソースを調理したりすることは、すべて大気圧で行われるため、等圧プロセスの良い例です。
水が加熱されると、温度と体積が増加し、熱が追加され続けると、最終的に沸点に達し、そこで液体から水蒸気への水の相変化が発生します。これが発生している間、温度も100ºCで一定のままです。
水を凍らせます
一方、水を凍らせることは、冬に湖で行われるか、家庭用冷蔵庫で行われるかに関係なく、等圧プロセスでもあります。
太陽の下で空気で満たされた風船を加熱する
等圧プロセスのもう1つの例は、太陽にさらされたまま放置されたときの、空気で膨らまされたバルーンの体積の変化です。
時間の経過とともに温度が上昇すると、バルーンも加熱され、その体積が増加します。これはすべて一定の圧力で発生します。バルーンの材料は、十分に柔軟な境界の良い例です。そのため、バルーン内の空気は、加熱されたときに圧力を変更せずに膨張します。
体験は、水浴で加熱された3分の1の水で満たされたガラス瓶の注ぎ口にある膨張していないバルーンを調整することによっても実行できます。水が温まるとすぐに風船は膨らみますが、爆発しないように熱しすぎないように注意してください。
静圧気球
人や物を運ぶのに気流を利用する推進力のない浮遊船です。バルーンは通常、周囲の空気よりも冷たい熱気で満たされており、膨張して膨張してバルーンを上昇させます。
気流は気球を誘導しますが、高度を上昇または維持したいときにガスを加熱するために作動し、下降または着陸するときに非作動になるバーナーがあります。これはすべて大気圧で起こり、表面からそれほど遠くない一定の高さで一定であると仮定されます。
図4.熱気球。出典：Pixabay。
ボイラー
ボイラーでは、水を加熱して一定の圧力を維持することにより蒸気が発生します。この蒸気は、たとえば、熱電発電所での発電や、機関車やウォーターポンプなどの他の機構の動作など、有用な作業を行います。
解決された演習
演習1
あなたは27℃の温度で40リットルのガスを持っています。100 reachingCに達するまで等圧で熱を加えたときの体積の増加を見つけます。
解決
最終的な体積の決定にはチャールズの法則が使用されますが、注意してください。温度はそれぞれに273 Kを追加するだけで、ケルビンで表す必要があります。
27ºC= 27 + 273 K = 300 K
100ºC= 100 + 273 K = 373 K
から：
最後に、体積の増加はV 2 -V 1 = 49.7 L-40 L = 9.7 Lです。
演習2
理想的なガスには、アイソバリックプロセスで周囲に2.00 x 10 3 Jの作業を行うために、5.00 x 10 3 Jのエネルギーが供給されます。それは見つけることを求めます：
a）ガスの内部エネルギーの変化。
b）体積の変化。内部エネルギーが4.50 x 10 3 Jおよび7.50 x 10 3 J 減少した場合、1.01 x 10 5 Paの一定圧力を考慮して、システムから排出されます。
への解決策
∆U = Q-Wが使用され、ステートメントで指定された値が置き換えられます：Q = 5.00 x 10 3 JおよびW = 2.00 x 10 3 J：
- X 10 4.50ΔUを=：内部エネルギーはしたがって、減少することステートメント状態3 = -7.50×10 Q：J.それはまた、一定量の熱が放出されることを教えてくれる3 J.で両方の場合、符号負は減少と損失を表し、次のようになります。
ここで、P = 1.01 x 10 5 Paです。すべての単位が国際システムにあるので、体積の変化を解決します。
ボリュームの変化がマイナスであるため、ボリュームが減少した、つまりシステムが収縮したことを意味します。
参考文献
- ビジューの。等圧プロセス。復旧元：byjus.com。
- Cengel、Y。2012。熱力学。第7版。マグローヒル。
- xyzを処理します。等圧プロセスの詳細をご覧ください。リカバリー元：10proceso.xyz。
- Serway、R.、Vulle、C。2011。物理学の基礎。第9版Cengage Learning。
- ウィキペディア。ガスの法律。回復元：es.wikipedia.org。