Typy a príklady termodynamických procesov

termodynamické procesy sú to fyzikálne alebo chemické javy, ktoré zahŕňajú tok tepla (energie) alebo prácu medzi systémom a jeho okolím. Keď hovoríme o horúčave, racionálne príde na myseľ obraz ohňa, ktorý je prejavom par excellence procesu, ktorý uvoľňuje veľa tepelnej energie.

Systém môže byť makroskopický (vlak, raketa, sopka) a mikroskopický (atómy, baktérie, molekuly, kvantové bodky atď.). Toto je oddelené od zvyšku vesmíru, aby sme zvážili teplo alebo prácu, ktorá toto vstupuje alebo opúšťa.

Neexistuje však len tok tepla, ale systémy môžu tiež generovať zmeny v určitej premennej prostredia v reakcii na uvažovaný jav. Podľa termodynamických zákonov musí existovať kompenzácia medzi odozvou a teplom, aby sa hmota a energia vždy zachovali.

Vyššie uvedené platí pre makroskopické a mikroskopické systémy. Rozdiel medzi prvým a posledným sú premenné, ktoré sa považujú za definovanie ich energetických stavov (v podstate, počiatočné a konečné)..

Termodynamické modely sa však snažia spojiť oba svety riadením premenných, ako je tlak, objem a teplota systémov, pričom niektoré z týchto konštánt sa sledujú pri skúmaní účinku ostatných..

Prvým modelom, ktorý umožňuje túto aproximáciu, je model ideálnych plynov (PV = nRT), kde n je počet mólov, ktoré sa pri delení medzi objemom V získa molárny objem..

Potom, vyjadrením zmien medzi systémami v závislosti od týchto premenných, možno definovať iné ako prácu (PV = W), ktorá je nevyhnutná pre stroje a priemyselné procesy..

Na druhej strane, iný typ termodynamickej premennej má väčší záujem o chemické javy. Sú priamo spojené s uvoľňovaním alebo absorpciou energie a závisia od prirodzenej povahy molekúl: tvorby a typov väzieb.

index

• 1 Systémy a javy v termodynamických procesoch
  • 1.1 Fyzikálne a chemické javy
  • 1.2 Príklady fyzikálnych javov
  • 1.3 Príklady chemických javov
• 2 Typy a príklady termodynamických procesov
  • 2.1 Adiabatické procesy
  • 2.2 Izotermické procesy
  • 2.3 Isobarické procesy
  • 2.4 Isochorické procesy
• 3 Odkazy

Systémy a javy v termodynamických procesoch

Na obrázku vyššie sú znázornené tri typy systémov: uzavreté, otvorené a adiabatické.

V uzavretom systéme nedochádza k prenosu hmoty medzi ňou a jej okolím, takže do nej nemôže vstúpiť ani vystúpiť; energia však môže prekročiť hranice krabice. Inými slovami: fenomén F môže uvoľniť alebo absorbovať energiu, čím sa zmení to, čo je mimo poľa.

Na druhej strane, v otvorenom systéme majú horizonty systému svoje bodkované čiary, čo znamená, že energia aj hmota môžu prísť a ísť medzi ňou a okolím..

Nakoniec, v izolovanom systéme je výmena hmoty a energie medzi ňou a okolím nulová; z tohto dôvodu je na obrázku tretia škatuľa uzavretá v bubline. Je potrebné objasniť, že okolie môže byť zvyšok vesmíru a že štúdia je tá, ktorá definuje, do akej miery je potrebné zvážiť rozsah systému..

Fyzikálne a chemické javy

Čo je to konkrétne fenomén F? Fenomén je označený písmenom F a v žltom kruhu, je to zmena, ktorá sa odohráva a môže byť fyzickou modifikáciou hmoty alebo jej premenou.

Aký je rozdiel? Stručne: prvý neporušuje ani nevytvára nové odkazy, zatiaľ čo druhý.

Termodynamický proces je teda možné zvažovať podľa toho, či je tento jav fyzikálny alebo chemický. Obidve však majú spoločnú zmenu v niektorých molekulárnych alebo atómových vlastnostiach.

Príklady fyzikálnych javov

Vykurovacia voda v hrnci spôsobuje nárast kolízií medzi jej molekulami, až do bodu, v ktorom sa tlak jej pary rovná atmosférickému tlaku a potom dochádza k fázovej zmene z kvapaliny na plyn. Inými slovami: voda sa odparuje.

Molekuly vody tu nerušia žiadnu z ich väzieb, ale prechádzajú energetickými zmenami; alebo čo je rovnaké, je upravená vnútorná energia U vody.

Aké sú termodynamické premenné pre tento prípad? Atmosférický tlak P_bývalý, teplota vznikajúca spaľovaním varného plynu a objem vody.

Atmosférický tlak je konštantný, ale teplota vody nie je, pretože sa zahrieva; ani objem, pretože jeho molekuly expandujú vo vesmíre. Toto je príklad fyzického javu v rámci izobarického procesu; to znamená termodynamický systém pri konštantnom tlaku.

Čo ak dáte vodu s nejakými fazuľami do tlakového hrnca? V tomto prípade zostáva objem konštantný (pokiaľ sa pri varení zŕn neuvoľní tlak), ale zmena tlaku a teploty.

Je to preto, že vyrobený plyn nemôže uniknúť a otáča sa na stenách nádoby a povrchu kvapaliny. Hovoríme o inom fyzickom fenoméne, ale v rámci izochorického procesu.

Príklady chemických javov

Bolo spomenuté, že existujú termodynamické premenné, ktoré sú vlastné mikroskopickým faktorom, ako je molekulárna alebo atómová štruktúra. Aké sú tieto premenné? Entalpia (H), entropia (S), vnútorná energia (U) a voľná energia Gibbs (S).

Tieto vnútorné premenné hmoty sú definované a vyjadrené v termínoch makroskopických termodynamických premenných (P, T a V) podľa zvoleného matematického modelu (všeobecne ideálny model plynu). Vďaka týmto termodynamickým štúdiám sa dajú urobiť chemické javy.

Chceme napríklad študovať chemickú reakciu typu A + B => C, ale reakcia prebieha iba pri teplote 70 ° C. Okrem toho sa pri teplotách nad 100 ° C vytvára namiesto C, D.

Za týchto podmienok musí reaktor (zostava, v ktorej sa reakcia uskutočňuje) zaručiť konštantnú teplotu okolo 70 ° C, takže proces je izotermický.

Typy a príklady termodynamických procesov

Adiabatické procesy

Sú to tie, v ktorých neexistuje žiadny čistý prenos medzi systémom a jeho okolím. Toto je dlhodobo garantované izolovaným systémom (box vnútri bubliny).

Príklady

Príkladom sú kalorimetre, ktoré určujú množstvo uvoľneného alebo absorbovaného tepla z chemickej reakcie (spaľovanie, rozpúšťanie, oxidácia atď.).

V rámci fyzikálnych javov je pohyb, ktorý vytvára horúci plyn v dôsledku tlaku vyvíjaného na piesty. Podobne, keď prúd vzduchu tlačí na zemský povrch, jeho teplota sa zvyšuje, pretože je nútená expandovať.

Na druhej strane, ak je druhý povrch plynný a má nižšiu hustotu, jeho teplota sa zníži, keď sa cíti vyšší tlak, čo núti jeho častice kondenzovať..

Adiabatické procesy sú ideálne pre mnohé priemyselné procesy, v ktorých nižšia tepelná strata znamená nižší výkon, ktorý sa odráža v nákladoch. Aby sa to považovalo za také, musí byť tok tepla nulový alebo množstvo tepla, ktoré vstupuje, musí byť rovné množstvu, ktoré vstupuje do systému..

Izotermické procesy

Izotermické procesy sú tie, v ktorých teplota systému zostáva konštantná. To sa vykonáva tak, že ostatné premenné (P a V) sa menia s časom.

Príklady

Príklady tohto typu termodynamického procesu sú nespočetné. V podstate veľa bunkovej aktivity prebieha pri konštantnej teplote (výmena iónov a vody cez bunkové membrány). V rámci chemických reakcií sa za izotermické procesy považujú všetky tie, ktoré vytvárajú tepelnú rovnováhu.

Ľudský metabolizmus dokáže udržiavať konštantnú telesnú teplotu (približne 37 ° C) prostredníctvom širokého spektra chemických reakcií. To sa dosahuje vďaka energii, ktorá sa získava z potravín.

Fázové zmeny sú tiež izotermické procesy. Napríklad, keď kvapalina zamrzne, uvoľňuje teplo a zabraňuje poklesu teploty, kým nie je úplne v pevnej fáze. Akonáhle k tomu dôjde, teplota môže naďalej klesať, pretože tuhá látka už neuvoľňuje energiu.

V tých systémoch, ktoré zahŕňajú ideálne plyny, je zmena vnútornej energie U nulová, takže všetko teplo sa používa na vykonávanie práce.

Izobarické procesy

V týchto procesoch zostáva tlak v systéme konštantný, mení sa jeho objem a teplota. Vo všeobecnosti sa môžu vyskytovať v systémoch otvorených do atmosféry, alebo v uzavretých systémoch, ktorých limity môžu byť deformované zvýšením objemu, aby sa zabránilo zvýšeniu tlaku..

Príklady

Vo valcoch vo vnútri motorov, keď sa plyn zahrieva, tlačí piest, ktorý mení objem systému.

Ak by tomu tak nebolo, tlak by sa zvýšil, pretože systém nemá žiadny spôsob, ako znížiť kolízie plynných látok na stenách valca..

Isochorické procesy

V izochorických procesoch zostáva objem konštantný. Môže sa tiež považovať za tie, v ktorých systém nevytvára žiadnu prácu (W = 0).

V podstate ide o fyzikálne alebo chemické javy, ktoré sa študujú v akomkoľvek kontajneri, či už s agitáciou alebo nie.

Príklady

Príklady týchto procesov sú varenie jedla, príprava kávy, ochladzovanie fľaše zmrzliny, kryštalizácia cukru, rozpúšťanie málo rozpustnej zrazeniny, okrem iného iónomeničová chromatografia..

referencie

1. Jones, Andrew Zimmerman. (17. september 2016). Čo je to termodynamický proces? Prevzaté z: thoughtco.com
2. J. Wilkes. (2014). Termodynamické procesy. [PDF]. Prevzaté z: courses.washington.edu
3. Štúdium (9. augusta 2016). Termodynamické procesy: Isobaric, Isochoric, Isothermal & Adiabatic. Prevzaté z: study.com
4. Kevin Wandrei (2018). Aké sú niektoré každodenné príklady prvého a druhého zákona termodynamiky? Hearst Seattle Media, LLC. Prevzaté z: education.seattlepi.com
5. Lambert. (2006). Druhý zákon termodynamiky. Prevzaté z: entropysite.oxy.edu
6. 15 Termodynamika. [PDF]. Prevzaté z: wright.edu