TERMODINAMINIAI PROCESAI: TIPAI IR PAVYZDŽIAI - CHEMIJA - 2025

Kad termodinaminis procesas yra fizinės arba cheminės reiškinius dalyvauja šilumos srauto (energijos) arba darbą tarp sistemos ir jos aplinkoje. Kalbant apie šilumą, į galvą ateina racionalus ugnies vaizdas, kuris yra esminis proceso, kuris išskiria daug šiluminės energijos, pasireiškimas.

Sistema gali būti tiek makroskopinė (traukinys, raketa, ugnikalnis), tiek mikroskopinė (atomai, bakterijos, molekulės, kvantiniai taškai ir kt.). Tai atskirta nuo likusios visatos, kad būtų galima atsižvelgti į šilumą ar darbus, kurie į ją patenka ar iš jos išeina.

Tačiau ne tik egzistuoja šilumos srautas, bet ir sistemos, reaguodamos į nagrinėjamą reiškinį, gali sukelti tam tikrų aplinkos pokyčių. Pagal termodinaminius įstatymus, turi būti kompromisas tarp atsako ir šilumos, kad materija ir energija visada būtų išsaugota.

Aukščiau pateiktos nuostatos galioja makroskopinėms ir mikroskopinėms sistemoms. Skirtumas tarp pirmo ir paskutinio yra kintamieji, kurie laikomi apibūdinant jų energetines būsenas (iš esmės pradinę ir galutinę).

Tačiau termodinaminiais modeliais siekiama sujungti abu pasaulius, kontroliuojant kintamuosius, tokius kaip sistemų slėgis, tūris ir temperatūra, išlaikant kai kurias iš šių konstantų, kad būtų galima ištirti kitų poveikį.

Pirmasis modelis, leidžiantis šį apytikslį, yra idealiųjų dujų (PV = nRT) modelis, kur n yra molių skaičius, kuris, padalytas iš tūrio V, suteikia molinį tūrį.

Tada, išreiškiant sistemos ir aplinkos pokyčius kaip šių kintamųjų funkciją, gali būti apibrėžti kiti, pavyzdžiui, darbas (PV = W), būtinas mašinoms ir pramoniniams procesams.

Kita vertus, dėl cheminių reiškinių didesnį susidomėjimą turi kiti termodinaminių kintamųjų tipai. Tai yra tiesiogiai susiję su energijos išsiskyrimu ar absorbcija ir priklauso nuo vidinės molekulių prigimties: jungčių susidarymo ir rūšių.

Termodinaminių procesų sistemos ir reiškiniai

Viršutiniame paveikslėlyje pavaizduoti trys sistemų tipai: uždara, atvira ir adiabatinė.

Uždaroje sistemoje materija neperduodama tarp jos ir jos apylinkių, kad materija negalėtų patekti ar išeiti; tačiau energija gali peržengti dėžutės ribas. Kitaip tariant: fenomenas F gali išlaisvinti ar absorbuoti energiją, taip pakeisdamas tai, kas yra už dėžutės ribų.

Kita vertus, atviroje sistemoje sistemos horizontai turi punktyrines linijas, o tai reiškia, kad tiek energija, tiek materija gali ateiti ir pereiti tarp jos ir apylinkių.

Galiausiai, izoliuotoje sistemoje, medžiagos ir energijos mainai tarp jos ir aplinkos yra nuliniai; dėl šios priežasties paveikslėlyje trečioji dėžutė yra uždengta burbulu. Būtina paaiškinti, kad aplinka gali būti likusi Visata, o tyrimas yra tas, kuris nusako, kiek reikia apsvarstyti sistemos apimtį.

Fiziniai ir cheminiai reiškiniai

Kas konkrečiai yra F fenomenas? Pažymimas raide F ir geltoname apskritime, reiškinys yra įvykstantis pokytis, kuris gali būti fizinis materijos modifikavimas arba jos virsmas.

Koks skirtumas? Trumpai tariant: pirmasis nenutraukia ir nesukuria naujų nuorodų, o antrasis.

Taigi termodinaminis procesas gali būti svarstomas atsižvelgiant į tai, ar reiškinys yra fizinis, ar cheminis. Tačiau abu būdai turi tam tikrų molekulinių ar atominių savybių pokyčių.

Fizinių reiškinių pavyzdžiai

Kaitinant vandenį puode padidėja jo molekulių susidūrimai iki taško, kuriame jo garų slėgis prilygsta atmosferos slėgiui, o tada vyksta fazės pasikeitimas iš skysčio į dujas. Kitaip tariant: vanduo išgaruoja.

Vandens molekulės nesulaužo nė vieno iš jų ryšių, tačiau jos patiria energetinius pokyčius; arba kas yra tas pats, modifikuojama vandens vidinė energija U.

Kokie yra termodinaminiai kintamieji šiuo atveju? Atmosferos slėgis P _ex , virimo dujų degimo temperatūra ir vandens tūris.

Atmosferos slėgis yra pastovus, tačiau vandens temperatūra nėra, nes jis įkaista; nei tūris, nes jo molekulės plečiasi erdvėje. Tai izobarinio proceso fizinio reiškinio pavyzdys; tai yra termodinaminė sistema esant pastoviam slėgiui.

Ką daryti, jei vandenį su kai kuriomis pupelėmis įdėsite į greitpuodį? Tokiu atveju tūris išlieka pastovus (tol, kol slėgis neatleidžiamas, kai pupelės virtos), tačiau slėgis ir temperatūra keičiasi.

Taip yra todėl, kad susidariusios dujos negali išeiti ir atsimuša nuo puodo sienų ir skysčio paviršiaus. Tada mes kalbame apie kitą fizinį reiškinį, bet ne apie izochorinį procesą.

Cheminių reiškinių pavyzdžiai

Buvo paminėta, kad yra termodinaminių kintamųjų, būdingų mikroskopiniams veiksniams, tokiems kaip molekulinė ar atominė struktūra. Kokie yra šie kintamieji? Entalpija (H), entropija (S), vidinė energija (U) ir Gibso laisvoji energija (S).

Šie vidiniai materijos kintamieji yra apibrėžti ir išreikšti makroskopiniais termodinaminiais kintamaisiais (P, T ir V) pagal pasirinktą matematinį modelį (paprastai idealių dujų modelį). Dėl šios termodinamikos galima atlikti cheminių reiškinių tyrimus.

Pavyzdžiui, norite ištirti A + B => C tipo cheminę reakciją, tačiau reakcija vyksta tik 70 ºC temperatūroje. Be to, esant aukštesnei kaip 100 ºC temperatūrai, vietoj gaminamo C, D.

Esant tokioms sąlygoms, reaktorius (agregatas, kuriame vyksta reakcija) turi užtikrinti pastovią maždaug 70 ° C temperatūrą, taigi procesas yra izoterminis.

Termodinaminių procesų tipai ir pavyzdžiai

Adiabatiniai procesai

Tai yra tas atvejis, kai tarp sistemos ir jos aplinkos nėra jokio grynojo perdavimo. Ilgainiui tai garantuoja izoliuota sistema (dėžutė burbulo viduje).

Pavyzdžiai

To pavyzdys yra kalorimetrai, kurie nustato šilumos kiekį, kurį išskiria ar sugeria po cheminės reakcijos (degimo, ištirpimo, oksidacijos ir kt.).

Fizikinių reiškinių metu yra judėjimas, kurį sukelia karštos dujos dėl slėgio, kurį daro stūmokliai. Panašiai, kai oro srovė daro slėgį antžeminiame paviršiuje, jos temperatūra didėja, nes ji priversta plėstis.

Kita vertus, jei kitas paviršius yra dujinis ir mažesnio tankio, jo temperatūra sumažės, kai bus jaučiamas didesnis slėgis, priversdamas jo daleles kondensuotis.

Adiabatiniai procesai yra idealūs daugeliui pramoninių procesų, kur mažesni šilumos nuostoliai reiškia mažesnį našumą, kuris atsispindi sąnaudose. Norint tai laikyti tokiu, šilumos srautas turi būti lygus nuliui arba į sistemą patenkančios šilumos kiekis turi būti lygus įeinančio į sistemą.

Izoterminiai procesai

Izoterminiai procesai yra visi procesai, kuriuose sistemos temperatūra išlieka pastovi. Tai daroma atliekant darbus, kad kiti kintamieji (P ir V) laikui bėgant kinta.

Pavyzdžiai

Šio tipo termodinaminio proceso pavyzdžių yra nesuskaičiuojama. Iš esmės didžioji dalis ląstelių aktyvumo vyksta esant pastoviai temperatūrai (jonams ir vandeniui keičiantis ląstelių membranomis). Cheminių reakcijų metu visi tie, kurie sukuria šiluminę pusiausvyrą, yra laikomi izoterminiais procesais.

Žmogaus metabolizmas sugeba palaikyti pastovią kūno temperatūrą (maždaug 37ºC), vykdydamas daugybę cheminių reakcijų. Tai pasiekiama dėka energijos, gaunamos iš maisto.

Fazių pokyčiai taip pat yra izoterminiai procesai. Pvz., Kai skystis užšąla, jis išskiria šilumą ir neleidžia temperatūrai toliau mažėti, kol ji yra visiškai kietoje fazėje. Tai įvykus, temperatūra gali toliau mažėti, nes kieta medžiaga nebeatleidžia energijos.

Tose sistemose, kuriose naudojamos idealios dujos, vidinės energijos U pokytis yra lygus nuliui, todėl visa šiluma naudojama darbui atlikti.

Izobariniai procesai

Atliekant šiuos procesus slėgis sistemoje išlieka pastovus, kinta jo tūris ir temperatūra. Paprastai jie gali atsirasti atmosferoje atvirose sistemose arba uždarose sistemose, kurių ribas gali deformuoti padidėjęs tūris tokiu būdu, kuris neutralizuotų slėgio padidėjimą.

Pavyzdžiai

Varikliuose esančiuose cilindruose, kai šildomos dujos, jis stumia stūmoklį, kuris keičia sistemos tūrį.

Jei to nebūtų, slėgis padidėtų, nes sistema neturi galimybių sumažinti dujinių rūšių susidūrimų ant cilindrų sienelių.

Izochoriniai procesai

Izochoriniuose procesuose tūris išlieka pastovus. Tai taip pat gali būti laikoma tais, kuriuose sistema negeneruoja jokio darbo (W = 0).

Iš esmės, tai fiziniai ar cheminiai reiškiniai, tiriami bet kokio konteinerio viduje, nesvarbu, ar purtant, ar ne.

Pavyzdžiai

Šių procesų pavyzdžiai yra maisto gaminimas, kavos ruošimas, ledų butelio aušinimas, cukraus kristalizavimas, blogai tirpstančių nuosėdų ištirpinimas, jonų mainų chromatografija ir kt.

Nuorodos

1. Jonesas, Andrew Zimmermanas. (2016 m. Rugsėjo 17 d.). Kas yra termodinaminis procesas? Paimta iš: thinkco.com
2. J. Wilkesas. (2014). Termodinaminiai procesai. . Paimta iš: courses.washington.edu
3. Tyrimas (2016 m. Rugpjūčio 9 d.). Termodinaminiai procesai: izobariniai, izochoriniai, izoterminiai ir adiabatiniai. Paimta iš: study.com
4. Kevinas Wandrei. (2018 m.). Kokie yra kai kurie pirmojo ir antrojo termodinamikos įstatymų pavyzdžiai? „Hearst Seattle Media, LLC“. Paimta iš: education.seattlepi.com
5. Lambertas. (2006). Antrasis termodinamikos dėsnis. Paimta iš: entropysite.oxy.edu
6. 15 Termodinamika. . Paimta iš: wright.edu