TERMODYNAMISKE PROCESSER: TYPER OG EKSEMPLER - KEMI - 2025

De termodynamiske processer er fysiske eller kemiske fænomener, der involverer varmestrøm (energi) eller arbejde mellem et system og dets omgivelser. Når vi taler om varme, kommer billede af brand rationelt til tankerne, hvilket er den vigtigste manifestation af en proces, der frigiver en masse termisk energi.

Systemet kan være både makroskopisk (et tog, en raket, en vulkan) og mikroskopisk (atomer, bakterier, molekyler, kvanteprikker osv.). Dette adskilles fra resten af ​​universet for at overveje varmen eller arbejdet, der kommer ind eller forlader det.

Dog eksisterer ikke kun varmestrømmen, men systemerne kan også generere ændringer i en eller anden variabel i deres miljø som et svar på det betragtede fænomen. I henhold til termodynamiske love skal der være en afveksling mellem respons og varme, så stof og energi altid bevares.

Ovenstående gælder for makroskopiske og mikroskopiske systemer. Forskellen mellem den første og den sidste er de variabler, der anses for at definere deres energitilstander (i det væsentlige det oprindelige og det sidste).

Imidlertid forsøger termodynamiske modeller at forbinde begge verdener ved at kontrollere variabler som tryk, volumen og temperatur på systemerne, og holde nogle af disse konstanter til at undersøge effekten af ​​de andre.

Den første model, der tillader denne tilnærmelse, er den af ​​ideelle gasser (PV = nRT), hvor n er antallet af mol, der når divideret med volumen V giver molvolumen.

Derefter kan man udtrykke ændringerne mellem system-omgivelser som en funktion af disse variabler, andre, såsom arbejde (PV = W), der er essentielt for maskiner og industrielle processer.

På den anden side for kemiske fænomener er andre typer termodynamiske variabler af større interesse. Disse er direkte relateret til frigivelse eller absorption af energi og afhænger af molekylernes egenart: dannelsen og bindingerne.

Systemer og fænomener i termodynamiske processer

I det øverste billede er de tre typer systemer repræsenteret: lukket, åbent og adiabatisk.

I det lukkede system er der ingen overførsel af stof mellem det og dets omgivelser, så ingen ting kan komme ind eller forlade; energi kan dog krydse kassens grænser. Med andre ord: fænomen F kan frigive eller absorbere energi og således ændre hvad der er uden for kassen.

På den anden side i det åbne system har systemets horisonter deres prikkede linjer, hvilket betyder, at både energi og stof kan komme og gå mellem det og omgivelserne.

Til sidst, i et isoleret system er udvekslingen af ​​stof og energi mellem det og omgivelserne nul; af denne grund er det tredje felt i billedet lukket i en boble. Det er nødvendigt at præcisere, at omgivelserne kan være resten af ​​universet, og at undersøgelsen er den, der definerer, hvor langt man skal overveje systemets rækkevidde.

Fysiske og kemiske fænomener

Hvad specifikt er fænomen F? Angivet med bogstavet F og inden for en gul cirkel er fænomenet en ændring, der finder sted og kan være den fysiske ændring af materien eller dens transformation.

Hvad er forskellen? Succinctly: den første bryder ikke eller opretter nye links, mens den anden gør.

Således kan en termodynamisk proces overvejes afhængigt af om fænomenet er fysisk eller kemisk. Begge har imidlertid til fælles en ændring i en eller anden molekylær eller atomegenskab.

Eksempler på fysiske fænomener

Opvarmning af vand i en gryde medfører en stigning i kollisioner mellem dens molekyler, til det punkt, hvor dens damptryk er lig med atmosfærisk tryk, og derefter sker faseændringen fra væske til gas. Med andre ord: vandet fordamper.

Her bryder vandmolekylerne ikke nogen af ​​deres bindinger, men de gennemgår energiske ændringer; eller hvad der er det samme, den indre energi U i vandet ændres.

Hvad er de termodynamiske variabler i dette tilfælde? Det atmosfæriske tryk P _ex, temperaturproduktet fra forbrændingen af ​​kogegassen og vandets volumen.

Det atmosfæriske tryk er konstant, men temperaturen på vandet er ikke, da det varmer op; heller ikke volumen, fordi dens molekyler udvides i rummet. Dette er et eksempel på et fysisk fænomen inden for en isobarisk proces; det vil sige et termodynamisk system ved konstant tryk.

Hvad hvis du lægger vandet med nogle bønner i en komfur? I dette tilfælde forbliver volumen konstant (så længe trykket ikke frigøres, når bønnerne koges), men trykket og temperaturen ændres.

Dette skyldes, at den producerede gas ikke kan slippe ud og sprænger væggene i potten og væskeoverfladen. Vi taler derefter om et andet fysisk fænomen, men inden for en isokorisk proces.

Eksempler på kemiske fænomener

Det blev nævnt, at der er termodynamiske variabler, der er iboende for mikroskopiske faktorer, såsom molekylær eller atomstruktur. Hvad er disse variabler? Enthalpy (H), entropi (S), indre energi (U) og Gibbs fri energi (S).

Disse iboende variabler af stof er defineret og udtrykt i form af makroskopiske termodynamiske variabler (P, T og V) i henhold til den valgte matematiske model (generelt den for ideelle gasser). Takket være denne termodynamiske undersøgelser kan der udføres kemiske fænomener.

For eksempel vil du undersøge en kemisk reaktion af typen A + B => C, men reaktionen finder kun sted ved en temperatur på 70 ºC. Desuden ved temperaturer over 100 ºC i stedet for at blive produceret, D.

Under disse forhold skal reaktoren (den enhed, hvor reaktionen finder sted) garantere en konstant temperatur omkring 70 ºC, så processen er isotermisk.

Typer og eksempler på termodynamiske processer

Adiabatiske processer

Det er dem, hvor der ikke er nogen netoverførsel mellem systemet og dets omgivelser. Dette på lang sigt garanteres af et isoleret system (kassen inde i boblen).

eksempler

Et eksempel på dette er kalorimetre, der bestemmer mængden af ​​frigivet eller absorberet varme fra en kemisk reaktion (forbrænding, opløsning, oxidation osv.).

Inden for de fysiske fænomener er bevægelsen genereret af den varme gas på grund af det tryk, der udøves på stemplerne. Ligeledes når en luftstrøm udøver tryk på en jordoverflade, stiger dens temperatur, når den tvinges til at ekspandere.

På den anden side, hvis den anden overflade er gasformig og har en lavere densitet, vil temperaturen falde, når den føler et højere tryk, hvilket tvinger dens partikler til at kondensere.

Adiabatiske processer er ideelle til mange industrielle processer, hvor lavere varmetab betyder lavere ydelse, hvilket afspejles i omkostninger. For at betragte det som sådan skal varmestrømmen være nul, eller mængden af ​​varme, der kommer ind i systemet, skal være lig med den, der kommer ind i systemet.

Isotermiske processer

Isotermiske processer er alle dem, hvor systemets temperatur forbliver konstant. Det gør dette ved at udføre arbejde, så de andre variabler (P og V) varierer over tid.

eksempler

Eksempler på denne type termodynamiske processer er utallige. I det væsentlige foregår meget af celleaktivitet ved konstant temperatur (udveksling af ioner og vand over cellemembraner). Inden for kemiske reaktioner betragtes alle dem, der etablerer termiske ækvivalenter, som isotermiske processer.

Humant stofskifte formår at opretholde en konstant kropstemperatur (ca. 37 ºC) gennem en lang række kemiske reaktioner. Dette opnås takket være energien fra mad.

Faseændringer er også isotermiske processer. F.eks. Når en væske fryser, frigiver den varme og forhindrer, at temperaturen fortsætter med at falde, indtil den er helt i fast fase. Når dette sker, kan temperaturen fortsætte med at falde, fordi det faste stof ikke længere frigiver energi.

I de systemer, der involverer ideelle gasser, er ændringen i indre energi U nul, så al varmen bruges til at udføre arbejde.

Isobariske processer

I disse processer forbliver trykket i systemet konstant og varierer dets volumen og temperatur. Generelt kan de forekomme i systemer, der er åbne for atmosfæren, eller i lukkede systemer, hvis grænser kan deformeres af stigningen i volumen på en måde, der modvirker stigningen i tryk.

eksempler

I cylindere inde i motorer skubber det, når gassen opvarmes, stemplet, hvilket ændrer systemets volumen.

Hvis dette ikke var tilfældet, ville trykket stige, da systemet ikke har nogen måde at reducere kollisionerne af de gasformige arter på cylindervæggene.

Isokoriske processer

I isokoriske processer forbliver volumen konstant. Det kan også betragtes som dem, hvor systemet ikke genererer noget arbejde (W = 0).

Grundlæggende er det fysiske eller kemiske fænomener, der undersøges i enhver beholder, hvad enten det er med agitation eller ej.

eksempler

Eksempler på disse processer er madlavning, tilberedning af kaffe, afkøling af en flaske til is, krystallisering af sukker, opløsning af et dårligt opløseligt bundfald, en ionbytningskromatografi, blandt andre.

Referencer

1. Jones, Andrew Zimmerman. (2016, 17. september). Hvad er en termodynamisk proces? Taget fra: thoughtco.com
2. J. Wilkes. (2014). Termodynamiske processer.. Taget fra: kurser.washington.edu
3. Undersøgelse (9. august 2016). Termodynamiske processer: Isobarisk, isochorisk, isotermisk og adiabatisk. Taget fra: study.com
4. Kevin Wandrei. (2018). Hvad er nogle eksempler på hverdagen til termodynamikens første og anden lov? Hearst Seattle Media, LLC. Taget fra: education.seattlepi.com
5. Lambert. (2006). Den anden lov om termodynamik. Taget fra: entropysite.oxy.edu
6. 15 Termodynamik.. Taget fra: wright.edu