ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ: ВИДЫ И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2026

Эти термодинамические процессы являются физическими или химическими явлениями , связанными с потоком тепла (энергия) или работать между системой и ее окружением. Когда мы говорим о тепле, рационально приходит в голову образ огня, который является наиболее существенным проявлением процесса, высвобождающего много тепловой энергии.

Система может быть как макроскопической (поезд, ракета, вулкан), так и микроскопической (атомы, бактерии, молекулы, квантовые точки и т. Д.). Он отделен от остальной Вселенной, чтобы учесть тепло или работу, которая входит или выходит из нее.

Однако существует не только тепловой поток, но и системы могут также вызывать изменения некоторых переменных в окружающей их среде в ответ на рассматриваемое явление. Согласно термодинамическим законам, должен быть компромисс между реакцией и теплотой, чтобы материя и энергия всегда сохранялись.

Сказанное выше справедливо для макроскопических и микроскопических систем. Разница между первым и последним - это переменные, которые считаются определяющими их энергетические состояния (по сути, начальное и конечное).

Однако термодинамические модели стремятся связать оба мира, управляя переменными, такими как давление, объем и температура систем, сохраняя одни из этих констант для изучения влияния других.

Первая модель, которая допускает это приближение, - это модель идеальных газов (PV = nRT), где n - количество молей, которое при делении на объем V дает молярный объем.

Затем, выражая изменения между системным окружением как функцию этих переменных, можно определить другие, такие как работа (PV = W), которые необходимы для машин и промышленных процессов.

С другой стороны, для химических явлений больший интерес представляют другие типы термодинамических переменных. Они напрямую связаны с высвобождением или поглощением энергии и зависят от внутренней природы молекул: образования и типов связей.

Системы и явления в термодинамических процессах

На верхнем изображении представлены три типа систем: закрытая, открытая и адиабатическая.

В закрытой системе нет передачи материи между ней и ее окружением, так что любая материя может входить или выходить; однако энергия может пересекать границы коробки. Другими словами: явление F может выделять или поглощать энергию, таким образом изменяя то, что находится за рамками.

С другой стороны, в открытой системе горизонты системы имеют свои пунктирные линии, что означает, что энергия и материя могут приходить и уходить между ними и окружающей средой.

Наконец, в изолированной системе обмен веществом и энергией между ней и окружающей средой равен нулю; по этой причине на изображении третье поле заключено в пузырек. Необходимо уточнить, что окружение может быть остальной частью Вселенной, и что исследование - это то, что определяет, как далеко рассматривать область действия системы.

Физические и химические явления

Что конкретно представляет собой феномен F? Обозначается буквой F в желтом круге, это явление представляет собой происходящее изменение, которое может быть физической модификацией материи или ее преобразованием.

В чем разница? Лаконично: первый не разрывает и не создает новые ссылки, а второй - делает.

Таким образом, термодинамический процесс можно рассматривать в зависимости от того, является ли это явление физическим или химическим. Однако у обоих есть общее изменение некоторых молекулярных или атомных свойств.

Примеры физических явлений

Нагревание воды в горшке вызывает увеличение столкновений между ее молекулами до точки, где давление ее пара становится равным атмосферному давлению, а затем происходит фазовый переход от жидкости к газу. Другими словами: вода испаряется.

Здесь молекулы воды не разрывают никаких связей, но претерпевают энергетические изменения; или, что то же самое, внутренняя энергия U воды изменяется.

Каковы термодинамические переменные в этом случае? Атмосферное давление P _ex , температура продукта сгорания газа для приготовления пищи и объема воды.

Атмосферное давление постоянно, а температура воды - нет, так как она нагревается; ни объема, потому что его молекулы расширяются в пространстве. Это пример физического явления в изобарическом процессе; то есть термодинамическая система при постоянном давлении.

Что, если вы нальете воду с фасолью в скороварку? В этом случае объем остается постоянным (до тех пор, пока не сбрасывается давление при варке зерен), но давление и температура изменяются.

Это связано с тем, что образующийся газ не может выйти и отскакивает от стенок емкости и поверхности жидкости. Тогда мы говорим о другом физическом явлении, но в рамках изохорного процесса.

Примеры химических явлений

Было упомянуто, что существуют термодинамические переменные, присущие микроскопическим факторам, таким как молекулярная или атомная структура. Что это за переменные? Энтальпия (H), энтропия (S), внутренняя энергия (U) и свободная энергия Гиббса (S).

Эти внутренние переменные вещества определяются и выражаются в терминах макроскопических термодинамических переменных (P, T и V) в соответствии с выбранной математической моделью (как правило, идеальных газов). Благодаря этому можно проводить термодинамические исследования химических явлений.

Например, вы хотите изучить химическую реакцию типа A + B => C, но реакция происходит только при температуре 70 ºC. Кроме того, при температурах выше 100 ºC вместо C образуется D.

В этих условиях реактор (узел, в котором происходит реакция) должен обеспечивать постоянную температуру около 70 ºC, поэтому процесс является изотермическим.

Типы и примеры термодинамических процессов

Адиабатические процессы

Это те, в которых нет чистой передачи между системой и ее окружением. Это в долгосрочной перспективе гарантируется изолированной системой (ящик внутри пузыря).

Примеры

Примером этого являются калориметры, которые определяют количество тепла, выделяемого или поглощаемого в результате химической реакции (горение, растворение, окисление и т. Д.).

К физическим явлениям относится движение, создаваемое горячим газом из-за давления, оказываемого на поршни. Точно так же, когда воздушный поток оказывает давление на земную поверхность, его температура увеличивается, поскольку он вынужден расширяться.

С другой стороны, если другая поверхность является газообразной и имеет более низкую плотность, ее температура будет снижаться, когда она почувствует более высокое давление, заставляя ее частицы конденсироваться.

Адиабатические процессы идеальны для многих промышленных процессов, где меньшие потери тепла означают более низкую производительность, что отражается на затратах. Чтобы рассматривать его как таковой, тепловой поток должен быть равен нулю или количество тепла, поступающего в систему, должно быть равно количеству тепла, поступающего в систему.

Изотермические процессы

Изотермические процессы - это все те процессы, при которых температура системы остается постоянной. Он делает это, выполняя работу, так что другие переменные (P и V) меняются со временем.

Примеры

Примеры такого типа термодинамического процесса бесчисленны. По сути, большая часть клеточной активности происходит при постоянной температуре (обмен ионами и водой через клеточные мембраны). В химических реакциях все те, которые устанавливают тепловое равновесие, считаются изотермическими процессами.

Человеческий метаболизм поддерживает постоянную температуру тела (приблизительно 37ºC) посредством широкого ряда химических реакций. Это достигается за счет энергии, получаемой из пищи.

Фазовые переходы также являются изотермическими процессами. Например, когда жидкость замерзает, она выделяет тепло, предотвращая дальнейшее снижение температуры до тех пор, пока она полностью не перейдет в твердую фазу. Как только это произойдет, температура может продолжать снижаться, потому что твердое тело больше не выделяет энергию.

В тех системах, где используются идеальные газы, изменение внутренней энергии U равно нулю, поэтому все тепло используется для работы.

Изобарические процессы

В этих процессах давление в системе остается постоянным, меняя ее объем и температуру. Как правило, они могут возникать в системах, открытых для атмосферы, или в закрытых системах, границы которых могут быть деформированы увеличением объема таким образом, чтобы противодействовать повышению давления.

Примеры

В цилиндрах внутри двигателей, когда газ нагревается, он толкает поршень, что изменяет объем системы.

Если бы это было не так, давление увеличилось бы, поскольку система не имеет возможности уменьшить столкновения газообразных частиц со стенками цилиндра.

Изохорические процессы

В изохорных процессах объем остается постоянным. Его также можно рассматривать как такие, в которых система не производит никакой работы (W = 0).

По сути, это физические или химические явления, которые изучаются внутри любого контейнера, независимо от того, перемешивается он или нет.

Примеры

Примерами этих процессов являются приготовление пищи, приготовление кофе, охлаждение бутылки с мороженым, кристаллизация сахара, растворение плохо растворимого осадка, ионообменная хроматография и другие.

Ссылки

1. Джонс, Эндрю Циммерман. (2016, 17 сентября). Что такое термодинамический процесс? Взято с: thinkco.com
2. Дж. Уилкс. (2014). Термодинамические процессы. . Взято с: course.washington.edu
3. Исследование (9 августа 2016 г.). Термодинамические процессы: изобарические, изохорические, изотермические и адиабатические. Взято с: study.com
4. Кевин Вандрей. (2018). Каковы бытовые примеры первого и второго законов термодинамики? Херст Сиэтл Медиа, ООО. Взято с: education.seattlepi.com
5. Ламберт. (2006). Второй закон термодинамики. Взято с: entropysite.oxy.edu
6. 15 Термодинамика. . Взято с: wright.edu