Vrste in primeri termodinamičnih procesov



The termodinamični procesi gre za fizične ali kemične pojave, ki vključujejo pretok toplote (energije) ali delo med sistemom in okolico. Ko govorimo o toploti, racionalno pride na misel podoba ognja, ki je manifestacija par excellence procesa, ki sprosti veliko toplotne energije..

Sistem je lahko makroskopski (vlak, raketa, vulkan) in mikroskopski (atomi, bakterije, molekule, kvantne pike itd.). To je ločeno od ostalega vesolja, da bi upoštevali toploto ali delo, ki to vstopi ali zapusti.

Vendar pa ne obstaja samo toplotni tok, temveč tudi sistemi lahko povzročijo spremembe v nekaterih spremenljivkah svojega okolja kot odziv na obravnavani pojav. V skladu s termodinamskimi zakoni mora obstajati kompenzacija med odzivom in toploto, tako da sta materija in energija vedno ohranjeni.

Navedeno velja za makroskopske in mikroskopske sisteme. Razlika med prvim in zadnjim so spremenljivke, ki se štejejo za definiranje njihovih energetskih stanj (v bistvu, začetno in končno)..

Cilj termodinamičnih modelov je povezati oba svetova z nadzorovanjem spremenljivk, kot so tlak, volumen in temperatura sistemov, pri čemer nekatere od teh konstant proučujejo učinek drugih sistemov..

Prvi model, ki omogoča ta približek, je tisti idealnih plinov (PV = nRT), kjer je n število molov, da se pri delitvi med prostornino V dobi molarni volumen..

Potem, ko izrazimo spremembe med sistemom okoli, odvisno od teh spremenljivk, lahko druge definiramo kot delo (PV = W), ki je nujno potrebno za stroje in industrijske procese..

Po drugi strani pa je za kemijske pojave bolj zanimiva druga vrsta termodinamične spremenljivke. Te so neposredno povezane z sproščanjem ali absorpcijo energije in so odvisne od intrinzične narave molekul: tvorbe in vrste povezav..

Indeks

  • 1 Sistemi in pojavi v termodinamičnih procesih
    • 1.1 Fizični in kemijski pojavi
    • 1.2 Primeri fizikalnih pojavov
    • 1.3 Primeri kemijskih pojavov
  • 2 Vrste in primeri termodinamičnih procesov
    • 2.1 Adiabatski procesi
    • 2.2 Izotermni procesi
    • 2.3 Izobarni postopki
    • 2.4 Isohorični procesi
  • 3 Reference

Sistemi in pojavi v termodinamičnih procesih

Na zgornji sliki so predstavljene tri vrste sistemov: zaprta, odprta in adiabatna.

V zaprtem sistemu med njim in okolico ni prenosa snovi, tako da ne more vstopiti ali izstopati; vendar lahko energija prečka meje škatle. Z drugimi besedami: fenomen F lahko sprosti ali absorbira energijo in tako spremeni tisto, kar je izven okvira.

Po drugi strani pa imajo v odprtem sistemu obzorja sistema svoje pikčaste črte, kar pomeni, da lahko tako energija kot materija pridejo in gredo med to in okolico..

Nazadnje, v izoliranem sistemu je izmenjava snovi in ​​energije med njo in okolico nična; zaradi tega je tretja škatla na sliki zaprta v mehurček. Treba je pojasniti, da je okolica lahko preostanek vesolja in da je študija tista, ki določa, kako daleč je treba preučiti obseg sistema..

Fizični in kemijski pojavi

Kaj je posebej fenomen F? Označen s črko F in znotraj rumenega kroga, je pojav sprememba, ki se dogaja in je lahko fizična sprememba snovi ali njena transformacija..

Kakšna je razlika? Kratko: prvi ne prekine ali ustvari novih povezav, drugi pa ne.

Termodinamični proces se torej lahko obravnava glede na to, ali je pojav fizikalen ali kemičen. Oba imata skupno spremembo neke molekularne ali atomske lastnosti.

Primeri fizikalnih pojavov

Ogrevanje vode v loncu povzroči povečanje trkov med njegovimi molekulami, do točke, kjer je tlak njenih hlapov enak atmosferskemu tlaku, nato pa pride do fazne spremembe iz tekočine v plin. Z drugimi besedami: voda izhlapi.

Tukaj vodne molekule ne razbijejo nobene od njihovih vezi, vendar se podvržejo energetskim spremembam; ali kar je isto, se spremeni notranja energija U vode.

Kakšne so termodinamične spremenljivke za ta primer? Atmosferski tlak Pprej, temperatura, ki nastane pri zgorevanju plina za kuhanje in volumna vode.

Atmosferski tlak je konstanten, vendar temperatura vode ni, ker je ogrevana; niti volumna, ker se njegove molekule širijo v prostoru. To je primer fizičnega pojava v izobaričnem procesu; to je termodinamični sistem pri konstantnem tlaku.

Kaj pa, če postavite vodo z nekaj fižola v lonec? V tem primeru je volumen konstanten (dokler se pri kuhanju zrna tlak ne sprosti), toda sprememba tlaka in temperature se spremeni..

To pa zato, ker proizvedeni plin ne more uiti in se vrti na stenah lonca in površini tekočine. Govorimo o drugem fizikalnem pojavu, vendar v izohoričnem procesu.

Primeri kemijskih pojavov

Omenjeno je bilo, da obstajajo termodinamične spremenljivke, ki so del mikroskopskih dejavnikov, kot je molekularna ali atomska struktura. Kaj so te spremenljivke? Entalpija (H), entropija (S), notranja energija (U) in prosta energija Gibbsa (S).

Te intrinzične spremenljivke snovi so definirane in izražene z makroskopskimi termodinamičnimi spremenljivkami (P, T in V) po izbranem matematičnem modelu (na splošno idealnem modelu plina). Zahvaljujoč temu lahko izvedemo termodinamične študije o kemijskih pojavih.

Na primer, želimo preučiti kemijsko reakcijo tipa A + B => C, vendar se reakcija zgodi le pri temperaturi 70 ° C. Poleg tega se pri temperaturah nad 100 ° C namesto proizvodnje C ustvarja D.

Pod temi pogoji mora reaktor (sklop, kjer se izvaja reakcija) zagotavljati stalno temperaturo okoli 70 ° C, tako da je postopek izotermičen.

Vrste in primeri termodinamičnih procesov

Adiabatski procesi

To so tisti, v katerih ni neto prenosa med sistemom in okolico. Dolgoročno to zagotavlja izoliran sistem (polje znotraj mehurčka).

Primeri

Primer tega so kalorimetri, ki določajo količino toplote, ki se sprosti ali absorbira iz kemične reakcije (izgorevanje, raztapljanje, oksidacija itd.).

V fizikalnih pojavih je gibanje, ki ustvarja vroč plin zaradi pritiska na bate. Podobno, ko tok zraka pritiska na zemeljsko površino, se njegova temperatura poveča, ker je prisiljena širiti.

Po drugi strani pa, če je druga površina plinasta in ima manjšo gostoto, se bo njena temperatura zmanjšala, ko bo čutil višji tlak, zaradi česar bodo njegovi delci kondenzirani.

Adiabatni procesi so idealni za mnoge industrijske procese, pri katerih nižja toplotna izguba pomeni nižjo zmogljivost, ki se odraža v stroških. Toplotni tok mora biti enak nič, količina toplote, ki vstopa, pa mora biti enaka količini, ki vstopa v sistem..

Izotermični procesi

Izotermični procesi so vsi tisti, pri katerih temperatura sistema ostaja konstantna. To se naredi z delom, tako da se druge spremenljivke (P in V) spreminjajo s časom.

Primeri

Primeri tega tipa termodinamičnega procesa so nešteto. V bistvu poteka veliko celične aktivnosti pri konstantni temperaturi (izmenjava ionov in vode skozi celične membrane). V kemijskih reakcijah so vsi tisti, ki vzpostavljajo toplotne ravnotežje, izotermični procesi.

Človeški metabolizem uspe vzdrževati stalno telesno temperaturo (približno 37 ° C) s širokim razponom kemijskih reakcij. To dosežemo s pomočjo energije, ki jo dobimo iz hrane.

Fazne spremembe so tudi izotermični procesi. Na primer, ko tekočina zamrzne, sprosti toploto, s čimer preprečuje, da bi se temperatura znižala, dokler ni popolnoma v trdni fazi. Ko se to zgodi, se lahko temperatura še naprej zmanjšuje, ker trdna snov ne sprosti več energije.

V tistih sistemih, ki vključujejo idealne pline, je sprememba notranje energije U enaka nič, tako da se vsa toplota uporablja za opravljanje dela.

Izobarični procesi

V teh procesih tlak v sistemu ostaja konstanten, spreminja se njegov volumen in temperatura. Na splošno se lahko pojavijo v sistemih, odprtih za ozračje, ali v zaprtih sistemih, katerih meje se lahko deformirajo zaradi povečanja prostornine, da bi preprečili povečanje tlaka..

Primeri

V valjih v motorjih, ko se plin segreje, potiska bat, ki spreminja prostornino sistema..

Če to ne bi bilo, bi se pritisk povečal, saj sistem ne more zmanjšati trkov plinastih vrst na stenah valja..

Isohorični procesi

V izohoričnih procesih je volumen konstanten. Lahko se šteje tudi za tiste, v katerih sistem ne ustvarja dela (W = 0).

V bistvu gre za fizikalne ali kemične pojave, ki se preučujejo v katerem koli zabojniku, ne glede na to, ali ste z agitacijo ali ne.

Primeri

Primeri teh postopkov so kuhanje hrane, priprava kave, hlajenje steklenice sladoleda, kristalizacija sladkorja, raztapljanje malo topne oborine, ionska izmenjevalna kromatografija, med drugim..

Reference

  1. Jones, Andrew Zimmerman. (17. september 2016). Kaj je termodinamični proces? Vzeto iz: thoughtco.com
  2. J. Wilkes. (2014). Termodinamični procesi. [PDF] Vzeto iz: courses.washington.edu
  3. Študija (9. avgust 2016). Termodinamični procesi: izobarična, izohorična, izotermna in adiabatska. Vzeto iz: study.com
  4. Kevin Wandrei (2018). Kateri so vsakdanji primeri prvega in drugega zakona termodinamike? Hearst Seattle Media, LLC. Vzeto iz: education.seattlepi.com
  5. Lambert. (2006). Drugi zakon termodinamike. Vzeto iz: entropysite.oxy.edu
  6. 15 Termodinamika. [PDF] Vzeto iz: wright.edu