Typy i przykłady procesów termodynamicznych



The procesy termodynamiczne są to zjawiska fizyczne lub chemiczne, które obejmują przepływ ciepła (energii) lub pracę między systemem a jego otoczeniem. Mówiąc o cieple, racjonalnie przychodzi na myśl obraz ognia, który jest manifestacją par excellence procesu, który uwalnia dużo energii cieplnej.

System może być zarówno makroskopowy (pociąg, rakieta, wulkan), jak i mikroskopowy (atomy, bakterie, cząsteczki, kropki kwantowe itp.). To jest oddzielone od reszty wszechświata, aby uwzględnić ciepło lub pracę, która wchodzi lub opuszcza to.

Jednak nie tylko przepływ ciepła istnieje, ale systemy mogą również generować zmiany w pewnej zmiennej ich środowiska w odpowiedzi na rozważane zjawisko. Zgodnie z prawami termodynamicznymi musi istnieć kompensacja między reakcją a ciepłem, aby materia i energia były zawsze zachowane.

Powyższe dotyczy systemów makroskopowych i mikroskopowych. Różnica między pierwszą a ostatnią to zmienne, które są uważane za definiujące ich stany energetyczne (zasadniczo, początkowe i końcowe).

Jednak modele termodynamiczne mają na celu połączenie obu światów poprzez kontrolowanie zmiennych, takich jak ciśnienie, objętość i temperatura systemów, zachowując niektóre z tych stałych do badania wpływu innych..

Pierwszym modelem, który pozwala na takie przybliżenie, jest model gazów doskonałych (PV = nRT), gdzie n jest liczbą moli, która przy podziale między objętością V uzyskuje się objętość molową.

Następnie, wyrażając zmiany między systemami w zależności od tych zmiennych, inne można zdefiniować jako pracę (PV = W), niezbędną dla maszyn i procesów przemysłowych.

Z drugiej strony, inny typ zmiennej termodynamicznej jest bardziej interesujący dla zjawisk chemicznych. Są one bezpośrednio związane z uwalnianiem lub absorpcją energii i zależą od wewnętrznej natury cząsteczek: powstawania i rodzajów połączeń.

Indeks

  • 1 Systemy i zjawiska w procesach termodynamicznych
    • 1.1 Zjawiska fizyczne i chemiczne
    • 1.2 Przykłady zjawisk fizycznych
    • 1.3 Przykłady zjawisk chemicznych
  • 2 Rodzaje i przykłady procesów termodynamicznych
    • 2.1 Procesy adiabatyczne
    • 2.2 Procesy izotermiczne
    • 2.3 Procesy izobaryczne
    • 2.4 Procesy izochoryczne
  • 3 referencje

Systemy i zjawiska w procesach termodynamicznych

Na powyższym obrazku przedstawiono trzy typy systemów: zamknięte, otwarte i adiabatyczne.

W systemie zamkniętym nie ma przeniesienia materii między nią a jej otoczeniem, tak że żadna z tych rzeczy nie może wejść ani wyjść; jednak energia może przekroczyć granice pudełka. Innymi słowy: zjawisko F może uwalniać lub absorbować energię, modyfikując tym samym to, co jest poza polem.

Z drugiej strony, w systemie otwartym horyzonty systemu mają swoje przerywane linie, co oznacza, że ​​zarówno energia, jak i materia mogą wejść i przejść między tym a otoczeniem.

Wreszcie, w odizolowanym systemie wymiana materii i energii między nią a otoczeniem jest zerowa; z tego powodu na obrazku trzecie pole jest zamknięte w bąblu. Konieczne jest wyjaśnienie, że otoczeniem może być reszta wszechświata, i że badanie jest tym, które określa, jak daleko należy rozważyć zakres systemu.

Zjawiska fizyczne i chemiczne

Czym konkretnie jest zjawisko F? Zjawisko oznaczone literą F i żółtym kółkiem jest zjawiskiem, które ma miejsce i może być fizyczną modyfikacją materii lub jej transformacją.

Jaka jest różnica? Zwięźle: pierwszy nie łamie ani nie tworzy nowych linków, podczas gdy drugi nie.

Zatem można rozważyć proces termodynamiczny w zależności od tego, czy zjawisko jest fizyczne czy chemiczne. Jednak obie mają wspólną zmianę pewnej właściwości molekularnej lub atomowej.

Przykłady zjawisk fizycznych

Ogrzewanie wody w doniczce powoduje wzrost kolizji między jej cząsteczkami, do momentu, w którym ciśnienie jej pary równa się ciśnieniu atmosferycznemu, a następnie następuje zmiana fazy z cieczy na gaz. Innymi słowy: woda odparowuje.

Cząsteczki wody nie łamią tutaj żadnych wiązań, ale ulegają zmianom energetycznym; lub to samo, energia wewnętrzna U wody jest modyfikowana.

Jakie są zmienne termodynamiczne dla tego przypadku? Ciśnienie atmosferyczne Ppoprzedni, temperatura wytwarzana przez spalanie gazu kuchennego i objętość wody.

Ciśnienie atmosferyczne jest stałe, ale temperatura wody nie jest, ponieważ jest ogrzewana; ani objętości, ponieważ jej molekuły rozszerzają się w przestrzeni. Jest to przykład zjawiska fizycznego w procesie izobarycznym; to znaczy system termodynamiczny przy stałym ciśnieniu.

Co jeśli włożysz wodę z fasolą do szybkowaru? W tym przypadku objętość pozostaje stała (dopóki ciśnienie nie jest uwalniane podczas gotowania ziaren), ale zmienia się ciśnienie i temperatura.

Dzieje się tak, ponieważ wytwarzany gaz nie może uciec i obraca się na ścianach garnka i powierzchni cieczy. Mówimy o innym zjawisku fizycznym, ale w procesie izochorycznym.

Przykłady zjawisk chemicznych

Wspomniano, że istnieją zmienne termodynamiczne właściwe dla czynników mikroskopowych, takich jak struktura molekularna lub atomowa. Jakie są te zmienne? Entalpia (H), entropia (S), energia wewnętrzna (U) i energia swobodna Gibbsa (S).

Te wewnętrzne zmienne materii są zdefiniowane i wyrażone w kategoriach makroskopowych zmiennych termodynamicznych (P, T i V), zgodnie z wybranym modelem matematycznym (ogólnie idealnym modelem gazu). Dzięki temu można przeprowadzić badania termodynamiczne zjawisk chemicznych.

Na przykład chcemy zbadać reakcję chemiczną typu A + B => C, ale reakcja zachodzi tylko w temperaturze 70 ° C Ponadto, w temperaturach powyżej 100 ° C, zamiast wytwarzania C, D jest generowane.

W tych warunkach reaktor (zespół, w którym przeprowadzana jest reakcja) musi gwarantować stałą temperaturę około 70 ° C, więc proces jest izotermiczny.

Rodzaje i przykłady procesów termodynamicznych

Procesy adiabatyczne

Są to te, w których nie ma transferu netto między systemem a jego otoczeniem. To w długim okresie jest gwarantowane przez izolowany system (pudełko wewnątrz bańki).

Przykłady

Przykładem tego są kalorymetry, które określają ilość ciepła uwalnianego lub absorbowanego z reakcji chemicznej (spalanie, rozpuszczanie, utlenianie itp.).

W obrębie zjawisk fizycznych jest ruch generujący gorący gaz z powodu ciśnienia wywieranego na tłoki. Podobnie, gdy prąd powietrza naciska na powierzchnię ziemską, jego temperatura wzrasta, ponieważ jest zmuszony do rozszerzania się.

Z drugiej strony, jeśli druga powierzchnia jest gazowa i ma mniejszą gęstość, jej temperatura zmniejszy się, gdy odczuje wyższe ciśnienie, zmuszając jej cząstki do kondensacji.

Procesy adiabatyczne są idealne dla wielu procesów przemysłowych, w których mniejsza strata ciepła oznacza niższą wydajność, która znajduje odzwierciedlenie w kosztach. Aby uznać to za takie, przepływ ciepła musi wynosić zero lub ilość ciepła, które wchodzi, musi być równa ilości, która wchodzi do systemu..

Procesy izotermiczne

Wszystkie procesy izotermiczne to te, w których temperatura układu pozostaje stała. Odbywa się to poprzez wykonanie pracy, tak aby inne zmienne (P i V) zmieniały się w czasie.

Przykłady

Przykłady tego typu procesu termodynamicznego są niezliczone. W istocie, duża aktywność komórkowa zachodzi w stałej temperaturze (wymiana jonów i wody przez błony komórkowe). W reakcjach chemicznych wszystkie te, które ustanawiają równowagę termiczną, uważa się za procesy izotermiczne.

Metabolizm człowieka utrzymuje stałą temperaturę ciała (około 37 ° C) dzięki szerokiemu zakresowi reakcji chemicznych. Osiąga się to dzięki energii uzyskiwanej z żywności.

Zmiany fazowe są również procesami izotermicznymi. Na przykład, gdy ciecz zamarza, uwalnia ciepło, zapobiegając spadkowi temperatury, dopóki nie znajdzie się całkowicie w fazie stałej. Gdy to nastąpi, temperatura może nadal spadać, ponieważ ciało stałe nie uwalnia już energii.

W systemach, w których występują gazy idealne, zmiana energii wewnętrznej U wynosi zero, więc całe ciepło jest wykorzystywane do wykonywania pracy.

Procesy izobaryczne

W tych procesach ciśnienie w układzie pozostaje stałe, zmieniając jego objętość i temperaturę. Na ogół mogą występować w systemach otwartych na atmosferę lub w systemach zamkniętych, których granice mogą zostać zdeformowane przez wzrost objętości, w celu przeciwdziałania wzrostowi ciśnienia.

Przykłady

W cylindrach wewnątrz silników, gdy gaz jest podgrzewany, popycha tłok, który zmienia objętość systemu.

Gdyby tak nie było, ciśnienie wzrosłoby, ponieważ system nie ma możliwości zmniejszenia zderzeń gatunków gazowych na ściankach cylindra..

Procesy izochoryczne

W procesach izochorycznych objętość pozostaje stała. Można to również uznać za te, w których system nie generuje pracy (W = 0).

Zasadniczo, są to zjawiska fizyczne lub chemiczne, które są badane w każdym pojemniku, niezależnie od tego, czy są wzburzone, czy nie.

Przykłady

Przykładami takich procesów są gotowanie żywności, przygotowanie kawy, chłodzenie butelki lodów, krystalizacja cukru, rozpuszczanie trochę rozpuszczalnego osadu, chromatografia jonowymienna, między innymi..

Referencje

  1. Jones, Andrew Zimmerman. (17 września 2016 r.). Czym jest proces termodynamiczny? Zaczerpnięte z: thoughtco.com
  2. J. Wilkes. (2014). Procesy termodynamiczne. [PDF] Zrobione z: course.washington.edu
  3. Badanie (9 sierpnia 2016 r.). Procesy termodynamiczne: izobaryczne, izochoryczne, izotermiczne i adiabatyczne. Zaczerpnięte z: study.com
  4. Kevin Wandrei (2018). Jakie są codzienne przykłady pierwszej i drugiej zasady termodynamiki? Hearst Seattle Media, LLC. Zrobione z: education.seattlepi.com
  5. Lambert. (2006). Druga zasada termodynamiki. Zrobiono z: entropysite.oxy.edu
  6. 15 Termodynamika. [PDF] Zaczerpnięte z: wright.edu