TERMODYNAMICKÉ PROCESY: TYPY A PRÍKLADY - CHÉMIA - 2026

Tieto termodynamickej procesy sú fyzikálne alebo chemické javy spojené s tepelným tokom (energie), alebo práce medzi systémom a jeho okolia. Keď hovoríme o horúčave, na myseľ racionálne príde obraz ohňa, ktorý je typickým prejavom 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 sa zvážilo teplo alebo práca, ktorá ho vstupuje alebo opúšťa.

Neexistuje však iba tepelný tok, ale systémy môžu tiež vyvolať zmeny v niektorých premenných vo svojom prostredí ako reakciu na uvažovaný jav. Podľa termodynamických zákonov musí existovať kompromis medzi reakciou a teplom, aby sa vždy zachovala hmota a energia.

Vyššie uvedené platí pre makroskopické a mikroskopické systémy. Rozdiel medzi prvým a posledným sú premenné, ktoré sa považujú za určujúce ich energetické stavy (v podstate počiatočný a konečný).

Termodynamické modely sa však snažia spojiť oba svety reguláciou premenných, ako sú tlak, objem a teplota systémov, pričom niektoré z týchto konštánt udržujú, aby študovali účinok ostatných.

Prvý model, ktorý umožňuje túto aproximáciu, je model ideálnych plynov (PV = nRT), kde n je počet mólov, ktoré po delení objemom V poskytujú molárny objem.

Potom, ako vyjadríme zmeny medzi systémom okolo seba ako funkciu týchto premenných, je možné definovať ďalšie, ako je práca (PV = W), nevyhnutné pre stroje a priemyselné procesy.

Na druhej strane, v prípade chemických javov sú predmetom záujmu ďalšie typy termodynamických premenných. Tieto priamo súvisia s uvoľňovaním alebo absorpciou energie a závisia od vnútornej povahy molekúl: od tvorby a typov väzieb.

Systémy a javy v termodynamických procesoch

Na hornom obrázku sú znázornené tri typy systémov: uzavretý, otvorený a adiabatický.

V uzavretom systéme nedochádza k prenosu látok medzi ním a jeho okolím, takže žiadna látka nemôže vstúpiť ani odísť; energia však môže prekročiť hranice schránky. Inými slovami: jav F môže uvoľňovať alebo absorbovať energiu, a tým modifikovať to, čo je mimo poľa.

Na druhej strane, v otvorenom systéme majú horizonty systému prerušované 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 ním a okolím nulová; z tohto dôvodu je na obrázku tretie pole uzavreté v bubline. Je potrebné objasniť, že okolie môže byť zvyškom vesmíru a že štúdia je tá, ktorá určuje, ako ďaleko sa má zvážiť rozsah systému.

Fyzikálne a chemické javy

Čo konkrétne je jav F? Fenomén je označený písmenom F a vo vnútri žltého kruhu je zmena, ktorá nastáva a môže to byť fyzická modifikácia hmoty alebo jej premena.

V čom je rozdiel? Zjednodušene: prvý neporušuje ani nevytvára nové odkazy, zatiaľ čo druhý áno.

Termodynamický proces sa teda môže posudzovať podľa toho, či ide o fyzikálny alebo chemický jav. Obidve však majú spoločnú zmenu niektorých molekulárnych alebo atómových vlastností.

Príklady fyzikálnych javov

Ohrievanie vody v nádobe spôsobuje zvýšenie zrážok medzi jej molekulami až do bodu, keď sa tlak jej pary rovná atmosférickému tlaku, a potom dôjde k zmene fázy z kvapaliny na plyn. Inými slovami: voda sa vyparuje.

Molekuly vody tu neporušujú žiadne väzby, ale prechádzajú energetickými zmenami; alebo čo je rovnaké, vnútorná energia U vody je upravená.

Aké sú termodynamické premenné pre tento prípad? Atmosférický tlak P _ex , teplotný produkt spaľovania plynu na varenie a objem vody.

Atmosférický tlak je konštantný, ale teplota vody nie je, pretože sa zahrieva; ani objem, pretože jeho molekuly sa rozširujú v priestore. Toto je príklad fyzikálneho javu v izobarickom procese; to znamená termodynamický systém pri konštantnom tlaku.

Čo keď dáte vodu s fazuľou do tlakového hrnca? V tomto prípade objem zostane konštantný (pokiaľ tlak nie je uvoľnený pri varení fazule), ale tlak a teplota sa menia.

Je to tak preto, že vyprodukovaný plyn nemôže unikať a odráža sa od stien nádoby a povrchu kvapaliny. Hovoríme o ďalšom fyzikálnom fenoméne, ale v rámci izochorického procesu.

Príklady chemických javov

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

Tieto vnútorné premenné hmoty sú definované a vyjadrené pomocou makroskopických termodynamických premenných (P, T a V) podľa zvoleného matematického modelu (spravidla ideálneho plynu). Vďaka týmto termodynamickým štúdiám je možné uskutočňovať chemické javy.

Napríklad chcete študovať chemickú reakciu typu A + B => C, ale reakcia nastáva iba pri teplote 70 ° C. Okrem toho pri teplotách nad 100 ° C namiesto výroby C D.

Za týchto podmienok musí reaktor (zostava, kde prebieha reakcia) zaručovať konštantnú teplotu okolo 70 ° C, takže proces je izotermický.

Druhy a príklady termodynamických procesov

Adiabatické procesy

Sú to také, pri ktorých nedochádza k žiadnemu čistému prenosu medzi systémom a jeho okolím. To je z dlhodobého hľadiska zaručené izolovaným systémom (box vo vnútri bubliny).

Príklady

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

Vo fyzikálnych javoch je pohyb generovaný horúcim plynom v dôsledku tlaku vyvíjaného na piesty. Podobne, keď prúd vzduchu vyvíja tlak na zemský povrch, jeho teplota sa zvyšuje, keď je nútený 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 mnoho priemyselných procesov, kde nižšie tepelné straty znamenajú nižší výkon, ktorý sa odráža v nákladoch. Aby to bolo možné považovať za také, musí byť tepelný tok nulový alebo množstvo tepla vstupujúceho do systému musí byť rovnaké ako množstvo tepla vstupujúceho do systému.

Izotermické procesy

Izotermické procesy sú všetky procesy, pri ktorých teplota systému zostáva konštantná. Robí to tak, že sa ostatné premenné (P a V) časom menia.

Príklady

Príklady tohto typu termodynamického procesu sú nespočetné. V podstate sa veľká časť bunkovej aktivity uskutočňuje pri konštantnej teplote (výmena iónov a vody cez bunkové membrány). V rámci chemických reakcií sa za izotermické procesy považujú 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 získanej z potravy.

Fázové zmeny sú tiež izotermické procesy. Napríklad, keď kvapalina zamrzne, uvoľňuje teplo, čím zabráni pokračovaniu poklesu teploty, až kým nebude úplne v tuhej fáze. Akonáhle sa to stane, teplota môže naďalej klesať, pretože tuhá látka už ďalej neuvoľňuje energiu.

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

Izobarické procesy

V týchto procesoch zostáva tlak v systéme konštantný, mení sa jeho objem a teplota. Všeobecne sa môžu vyskytovať v systémoch otvorených do atmosféry alebo v uzavretých systémoch, ktorých hranice môžu byť deformované zvýšením objemu takým spôsobom, ktorý pôsobí proti zvýšeniu tlaku.

Príklady

Vo valcoch vo vnútri motorov, keď je plyn zahrievaný, tlačí piest, ktorý mení objem systému.

Ak by to tak nebolo, tlak by sa zvýšil, pretože systém nemá žiadny spôsob, ako znížiť zrážky plynných druhov na stenách valca.

Izokinetické procesy

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

V podstate ide o fyzikálne alebo chemické javy, ktoré sa študujú vo vnútri akéhokoľvek kontajnera, či už s agitáciou alebo nie.

Príklady

Príkladmi týchto procesov sú napríklad varenie jedla, príprava kávy, chladenie fľaše na zmrzlinu, kryštalizácia cukru, rozpúšťanie zle rozpustnej zrazeniny, iónomeničová chromatografia.

Referencie

1. Jones, Andrew Zimmerman. (2016, 17. septembra). Čo je termodynamický proces? Prevzaté z: thinkco.com
2. J. Wilkes. (2014). Termodynamické procesy. , Prevzaté z: courses.washington.edu
3. Štúdia (9. augusta 2016). Termodynamické procesy: izobarické, izochemické, izotermálne a adiabatické. Prevzaté z: study.com
4. Kevin Wandrei. (2018). Aké sú každodenné príklady prvého a druhého zákona o termodynamike? Hearst Seattle Media, LLC. Prevzaté z: education.seattlepi.com
5. Lambert. (2006). Druhý termodynamický zákon. Prevzaté z: entropysite.oxy.edu
6. 15 Termodynamika. , Prevzaté z: wright.edu