Типи і приклади термодинамічних процесів

The термодинамічні процеси це фізичні або хімічні явища, які включають потік тепла (енергії) або роботу між системою та її оточенням. Говорячи про тепло, раціонально приходить на розум образ вогню, що є проявом par excellence процесу, який випускає багато теплової енергії.

Система може бути як макроскопічною (поїзд, ракета, вулкан), так і мікроскопічною (атоми, бактерії, молекули, квантові точки тощо). Це відокремлено від решти всесвіту, щоб розглянути тепла або роботу, яка входить або виходить з цього.

Однак існує не тільки тепловий потік, але і системи можуть генерувати зміни в певній змінної їхнього середовища у відповідь на розглянуте явище. Згідно з термодинамічними законами, має існувати компенсація між реакцією і теплом, щоб матерія і енергія завжди зберігалися.

Вищенаведене справедливо для макроскопічних і мікроскопічних систем. Різниця між першою і останньою - це змінні, які вважаються визначальними для їх енергетичних станів (по суті, початкового і кінцевого).

Проте, термодинамічні моделі мають на меті з'єднати обидва світи, контролюючи такі змінні, як тиск, об'єм і температура систем, зберігаючи деякі з цих констант для вивчення ефекту інших..

Перша модель, що дозволяє це наближення, полягає в тому, що ідеальні гази (PV = nRT), де n - число молей, то при діленні між об'ємом V виходить молярний об'єм..

Потім, виражаючи зміни між системою навколо в залежності від цих змінних, інші можуть бути визначені як робота (PV = W), незамінна для машин і промислових процесів.

З іншого боку, інший тип термодинамічної змінної представляє більший інтерес для хімічних явищ. Вони безпосередньо пов'язані з вивільненням або поглинанням енергії і залежать від внутрішньої природи молекул: формування і типи зв'язків.

Індекс

• 1 Системи і явища в термодинамічних процесах
  • 1.1 Фізико-хімічні явища
  • 1.2 Приклади фізичних явищ
  • 1.3 Приклади хімічних явищ
• 2 Типи та приклади термодинамічних процесів
  • 2.1 Адіабатичні процеси
  • 2.2 Ізотермічні процеси
  • 2.3 Ізобарні процеси
  • 2.4 Ізохоричні процеси
• 3 Посилання

Системи і явища в термодинамічних процесах

На зображеному вище зображено три типи систем: закритий, відкритий і адіабатичний.

У закритій системі не відбувається перенесення речовини між нею і її оточенням, так що не можна входити або виходити; однак енергія може перетнути кордони коробки. Іншими словами: явище F може вивільняти або поглинати енергію, змінюючи тим самим, що знаходиться за межами коробки.

З іншого боку, у відкритій системі горизонти системи мають свої пунктирні лінії, що означає, що і енергія, і матерія можуть прийти і пройти між цим і оточенням.

Нарешті, в ізольованій системі обмін речовиною і енергією між нею і оточенням є нульовим; з цієї причини на зображенні третю коробку укладено в міхур. Необхідно уточнити, що навколишнє середовище може бути іншою частиною Всесвіту, і що дослідження є тим, що визначає, наскільки далеко розглянути сферу застосування системи.

Фізико-хімічні явища

Яке саме явище F? Вказується літерою F і в межах жовтого кола, явище є зміною, що відбувається і може бути фізичною модифікацією матерії або її перетворенням.

У чому різниця? Коротко: перший не розриває або створює нові посилання, а другий робить.

Таким чином, термодинамічний процес може розглядатися в залежності від того, чи це явище фізичне або хімічне. Проте обидва мають спільну зміну в деяких молекулярних або атомних властивостях.

Приклади фізичних явищ

Нагрівання води в горщику призводить до збільшення зіткнень між її молекулами, до точки, де тиск його пари дорівнює атмосферному тиску, а потім відбувається зміна фази від рідини до газу. Іншими словами: вода випаровується.

Тут молекули води не порушують жодних своїх зв'язків, але вони зазнають енергетичних змін; або те ж саме, внутрішня енергія U води змінена.

Які термодинамічні змінні для даного випадку? Атмосферний тиск P_{колишній}, температура, що утворюється при спалюванні кухонного газу і обсягу води.

Атмосферний тиск є постійним, але температура води не є, оскільки вона нагрівається; ні обсяг, тому що його молекули розширюються в просторі. Це приклад фізичного явища в процесі ізобарі; тобто термодинамічна система при постійному тиску.

Що робити, якщо ви помістіть воду з деякими бобами всередині скороварки? У цьому випадку об'єм залишається постійним (до тих пір, поки тиск не вивільняється при варінні зерен), але зміна тиску і температури змінюється..

Це пояснюється тим, що газ, що утворюється, не може втекти і обертається на стінках горщика і поверхні рідини. Ми говоримо про інше фізичне явище, але в межах ізохоричного процесу.

Приклади хімічних явищ

Зазначалося, що існують термодинамічні змінні, притаманні мікроскопічним факторам, таким як молекулярна або атомна структура. Які ці змінні? Ентальпія (H), ентропія (S), внутрішня енергія (U) і вільна енергія Гіббса (S).

Ці власні змінні матерії визначаються і виражаються через макроскопічні термодинамічні змінні (P, T і V), відповідно до обраної математичної моделі (як правило, ідеальної газової моделі). Завдяки цьому термодинамічні дослідження можуть бути зроблені до хімічних явищ.

Наприклад, ми хочемо вивчити хімічну реакцію типу A + B => C, але реакція відбувається тільки при температурі 70 ° C. Крім того, при температурах вище 100 ° C, замість продукування C, D генерується.

В цих умовах реактор (збірка, де проводиться реакція) повинен гарантувати постійну температуру близько 70 ° C, тому процес є ізотермічним.

Типи та приклади термодинамічних процесів

Адіабатичні процеси

Це ті, в яких немає ніякої чистої передачі між системою та її оточенням. Це в довгостроковій перспективі гарантується ізольованою системою (коробка всередині міхура).

Приклади

Прикладом цього є калориметри, які визначають кількість тепла, що виділяється або поглинається в результаті хімічної реакції (згоряння, розчинення, окислення тощо)..

У межах фізичних явищ це рух, який генерує гарячий газ через тиск, що діє на поршні. Так само, коли струм повітря тисне на земну поверхню, її температура зростає, оскільки вона змушена розширюватися.

З іншого боку, якщо інша поверхня є газоподібною і має меншу щільність, її температура зменшиться, коли вона відчуває більш високий тиск, змушуючи її частинки конденсуватися..

Адіабатичні процеси ідеально підходять для багатьох промислових процесів, в яких нижча втрата тепла передбачає більш низьку продуктивність, що відображається у витратах. Розглядати його як таке, тепловий потік повинен бути нульовим або кількість тепла, що надходить, повинна дорівнювати кількості, що надходить у систему..

Ізотермічні процеси

Ізотермічними процесами є всі ті, в яких температура системи залишається постійною. Це робиться за допомогою роботи, щоб інші змінні (P і V) змінювались з часом.

Приклади

Приклади такого типу термодинамічного процесу незліченні. По суті, значна кількість клітинної активності відбувається при постійній температурі (обмін іонами і водою через мембрани клітин). У хімічних реакціях всі ті, які встановлюють теплові рівноваги, розглядаються як ізотермічні процеси.

Людський обмін вдається підтримувати постійну температуру тіла (приблизно 37 ° C) через широкий спектр хімічних реакцій. Це досягається завдяки енергії, яку отримують з їжі.

Фазові зміни також є ізотермічними процесами. Наприклад, коли рідина замерзає, вона виділяє тепло, запобігаючи зниженню температури, поки вона не буде повністю у твердій фазі. Як тільки це відбудеться, температура може продовжувати зменшуватися, тому що тверда речовина більше не виділяє енергію.

У тих системах, які включають ідеальні гази, зміна внутрішньої енергії U дорівнює нулю, тому все тепло використовується для виконання робіт.

Ізобаричні процеси

У цих процесах тиск в системі залишається постійним, змінюючи його об'єм і температуру. Загалом, вони можуть відбуватися в системах, відкритих для атмосфери, або в закритих системах, межі яких можуть деформуватися за рахунок збільшення обсягу, щоб протидіяти підвищенню тиску.

Приклади

У циліндрах всередині двигунів, коли газ нагрівається, він штовхає поршень, що змінює обсяг системи.

Якщо це не так, тиск буде зростати, оскільки система не має можливості зменшити зіткнення газоподібних видів на стінках циліндра..

Ізохоричні процеси

У ізохоричних процесах об'єм залишається постійним. Його також можна розглядати як ті, в яких система не генерує жодної роботи (W = 0).

В основному, це фізичні чи хімічні явища, які вивчаються в будь-якому контейнері, з агітацією чи ні.

Приклади

Прикладами цих процесів є приготування їжі, приготування кави, охолодження пляшки морозива, кристалізація цукру, розчинення малорозчинного осаду, іонообмінна хроматографія, серед інших..

Список літератури

1. Джонс, Ендрю Циммерман. (17 вересня 2016 року). Що таке термодинамічний процес? Взяті з: thoughtco.com
2. J. Wilkes. (2014). Термодинамічні процеси. [PDF] Взяті з: courses.washington.edu
3. Дослідження (9 серпня 2016 року). Термодинамічні процеси: ізобаричний, ізохоричний, ізотермічний і адіабатичний. Взяті з: study.com
4. Кевін Вандрей (2018). Які щоденні приклади першого і другого законів термодинаміки? Hearst Seattle Media, LLC. Взяті з: education.seattlepi.com
5. Ламберт. (2006). Другий закон термодинаміки. Взяті з: entropysite.oxy.edu
6. 15 Термодинаміка. [PDF] Взяті з: wright.edu