PROCESY TERMODYNAMICZNE: RODZAJE I PRZYKŁADY - CHEMIA - 2026

Do procesów termodynamicznych są zjawiska fizyczne lub chemiczne z udziałem przepływ ciepła (energia) lub pracy pomiędzy systemem i jego otoczeniem. Mówiąc o cieple, w sposób racjonalny przychodzi na myśl obraz ognia, który jest kwintesencją procesu, w którym uwalnia się dużo energii cieplnej.

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

Jednak nie tylko istnieje przepływ ciepła, ale systemy mogą również generować zmiany niektórych zmiennych w swoim środowisku w odpowiedzi na rozważane zjawisko. Zgodnie z prawami termodynamiki, musi istnieć kompromis 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 uważa się za definiujące ich stany energetyczne (w istocie początkowy i końcowy).

Jednak modele termodynamiczne starają się połączyć oba światy, kontrolując zmienne, takie jak ciśnienie, objętość i temperatura systemów, zachowując niektóre z tych stałych do badania wpływu innych.

Pierwszym modelem, który pozwala na to przybliżenie, jest model gazów doskonałych (PV = nRT), gdzie n to liczba moli, która po podzieleniu przez objętość V daje objętość molową.

Następnie, wyrażając zmiany pomiędzy systemem-otoczeniem jako funkcję tych zmiennych, można zdefiniować inne, takie jak praca (PV = W), istotna dla maszyn i procesów przemysłowych.

Z drugiej strony w przypadku zjawisk chemicznych większe zainteresowanie budzą inne typy zmiennych termodynamicznych. Są one bezpośrednio związane z uwalnianiem lub wchłanianiem energii i zależą od wewnętrznej natury cząsteczek: tworzenia i typów wiązań.

Systemy i zjawiska w procesach termodynamicznych

Na górnym obrazku przedstawiono trzy typy systemów: zamknięty, otwarty i adiabatyczny.

W systemie zamkniętym nie ma przenoszenia materii między nią a otoczeniem, tak że żadna materia nie może wejść ani wyjść; jednakże energia może przekroczyć granice pudełka. Innymi słowy: zjawisko F może uwolnić lub pochłonąć energię, modyfikując w ten sposób to, co jest poza pudełkiem.

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

Wreszcie, w systemie izolowanym wymiana materii i energii między nią a otoczeniem wynosi zero; z tego powodu na obrazku trzecie pole jest zamknięte w dymku. Konieczne jest wyjaśnienie, że otoczenie może być resztą wszechświata i że badanie jest tym, które określa, jak daleko należy wziąć pod uwagę zakres systemu.

Zjawiska fizyczne i chemiczne

Czym konkretnie jest zjawisko F? Oznaczone literą F i wewnątrz żółtego koła zjawisko to jest zmianą, która zachodzi i może być fizyczną modyfikacją materii lub jej transformacją.

Jaka jest różnica? Zwięzle: pierwszy nie zrywa ani nie tworzy nowych linków, a drugi tak.

W związku z tym proces termodynamiczny można rozpatrywać w zależności od tego, czy zjawisko to jest fizyczne, czy chemiczne. Jednak obie mają wspólną zmianę w niektórych właściwościach molekularnych lub atomowych.

Przykłady zjawisk fizycznych

Podgrzanie wody w garnku powoduje wzrost zderzeń między jej cząsteczkami do tego stopnia, że ​​ciśnienie jej pary jest równe ciśnieniu atmosferycznemu, po czym następuje zmiana fazy z ciekłej na gazową. Innymi słowy: woda wyparowuje.

Tutaj cząsteczki wody nie zrywają żadnego ze swoich wiązań, ale przechodzą zmiany energetyczne; lub co jest tym samym, wewnętrzna energia U wody jest modyfikowana.

Jakie są zmienne termodynamiczne w tym przypadku? Ciśnienie atmosferyczne P _ex , produkt temperaturowy spalania gazu kuchennego i objętość wody.

Ciśnienie atmosferyczne jest stałe, ale temperatura wody nie, ponieważ się nagrzewa; ani objętość, ponieważ jej cząsteczki rozszerzają się w przestrzeni. To jest przykład zjawiska fizycznego w procesie izobarycznym; to znaczy układ termodynamiczny przy stałym ciśnieniu.

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

Dzieje się tak, ponieważ wytworzony gaz nie może uciec i odbija się od ścianek naczynia i powierzchni cieczy. Mówimy wtedy o innym zjawisku fizycznym, ale w ramach procesu izochorycznego.

Przykłady zjawisk chemicznych

Wspomniano, że istnieją zmienne termodynamiczne nieodłącznie związane z czynnikami mikroskopowymi, takie jak struktura molekularna lub atomowa. Co to za zmienne? Entalpia (H), entropia (S), energia wewnętrzna (U) i energia swobodna Gibbsa (S).

Te wewnętrzne zmienne materii są definiowane i wyrażane za pomocą makroskopowych zmiennych termodynamicznych (P, T i V), zgodnie z wybranym modelem matematycznym (generalnie dla gazów doskonałych). Dzięki temu badania termodynamiczne mogą być prowadzone na zjawiskach chemicznych.

Na przykład chcesz zbadać reakcję chemiczną typu A + B => C, ale reakcja ta zachodzi tylko w temperaturze 70 ºC. Ponadto w temperaturach powyżej 100 ºC, zamiast wytwarzać C, D.

W tych warunkach reaktor (zespół, w którym zachodzi reakcja) musi zapewniać stałą temperaturę około 70 ºC, dzięki czemu proces jest izotermiczny.

Rodzaje i przykłady procesów termodynamicznych

Procesy adiabatyczne

Są to takie, w których nie ma transferu netto między systemem a jego otoczeniem. Gwarantuje to na dłuższą metę izolowany system (pudełko wewnątrz bańki).

Przykłady

Przykładem tego są kalorymetry, które określają ilość ciepła uwolnionego lub pochłoniętego w wyniku reakcji chemicznej (spalanie, rozpuszczanie, utlenianie itp.).

Zjawiska fizyczne obejmują ruch generowany przez gorący gaz pod wpływem ciśnienia wywieranego na tłoki. Podobnie, gdy prąd powietrza wywiera nacisk na powierzchnię ziemi, jego temperatura wzrasta, gdy jest zmuszony do rozszerzania się.

Z drugiej strony, jeśli druga powierzchnia jest gazowa i ma mniejszą gęstość, jej temperatura spadnie, gdy poczuje wyższe ciśnienie, co zmusi cząsteczki do kondensacji.

Procesy adiabatyczne są idealne dla wielu procesów przemysłowych, w których mniejsze straty ciepła oznaczają niższą wydajność, co znajduje odzwierciedlenie w kosztach. Aby to uznać za takie, przepływ ciepła musi wynosić zero lub ilość ciepła wchodzącego do systemu musi być równa ilości ciepła wpływającego do systemu.

Procesy izotermiczne

Procesy izotermiczne to wszystkie procesy, w których temperatura układu pozostaje stała. Robi to poprzez pracę, tak że inne zmienne (P i V) zmieniają się w czasie.

Przykłady

Przykłady tego typu procesów termodynamicznych są niezliczone. Zasadniczo znaczna część aktywności komórki ma miejsce w stałej temperaturze (wymiana jonów i wody przez błony komórkowe). W reakcjach chemicznych wszystkie te, które ustanawiają równowagi termiczne, są procesami izotermicznymi.

Ludzki metabolizm udaje się utrzymać stałą temperaturę ciała (około 37 ° C) w wyniku szeregu reakcji chemicznych. Osiąga się to dzięki energii pozyskiwanej z pożywienia.

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

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

Procesy izobaryczne

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

Przykłady

W cylindrach wewnątrz silników gaz po podgrzaniu popycha tłok, co zmienia objętość układu.

Gdyby tak nie było, ciśnienie by wzrosło, ponieważ system nie ma możliwości ograniczenia zderzeń form gazowych na ściankach cylindra.

Procesy izochoryczne

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

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

Przykłady

Przykładami takich procesów są między innymi gotowanie żywności, przygotowywanie kawy, chłodzenie butelki z lodami, krystalizacja cukru, rozpuszczanie słabo rozpuszczalnego osadu, chromatografia jonowymienna.

Bibliografia

1. Jones, Andrew Zimmerman. (2016, 17 września). Co to jest proces termodynamiczny? Zaczerpnięte z: thinkco.com
2. J. Wilkes. (2014). Procesy termodynamiczne. . Zaczerpnięte z: course.washington.edu
3. Badanie (9 sierpnia 2016). 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. Zaczerpnięte z: education.seattlepi.com
5. Lambert. (2006). Druga zasada termodynamiki. Zaczerpnięte z: entropysite.oxy.edu
6. 15 Termodynamika. . Zaczerpnięte z: wright.edu