TERMODINAMIKAI FOLYAMATOK: TÍPUSOK ÉS PÉLDÁK - KÉMIA - 2026

A termodinamikai folyamatok fizikai vagy kémiai jelenségek, amelyek hőáramot (energiát) vagy egy rendszer és annak környezete közötti munkát jelentenek. A hőről beszélve a tűz képe ésszerűen jut eszébe, ami egy olyan folyamat lényeges megnyilvánulása, amely sok hőenergiát szabadít fel.

A rendszer lehet makroszkopikus (vonat, rakéta, vulkán) és mikroszkopikus (atomok, baktériumok, molekulák, kvantumpontok stb.). Ezt elkülönítik az univerzum többi részétől, hogy figyelembe vegyék azt a hőt vagy munkát, amely belép, vagy azt elhagyja.

Ugyanakkor nemcsak a hőáramlás létezik, hanem a rendszerek a környezeti változók változásait is generálhatják, figyelembe véve a vizsgált jelenséget. A termodinamikai törvények szerint a válasz és a hő között kompromisszumnak kell lennie, hogy az anyag és az energia mindig megmaradjon.

A fentiek makroszkopikus és mikroszkopikus rendszerekre vonatkoznak. Az első és az utolsó közötti különbség azok a változók, amelyek figyelembe veszik az energiaállapotuk meghatározását (lényegében a kezdeti és a végső).

A termodinamikai modellek célja mindkét világ összekapcsolása olyan változók szabályozásával, mint például a rendszerek nyomása, térfogata és hőmérséklete, ezen állandók közül néhányat megvizsgálva a többi hatását.

Az első modell, amely lehetővé teszi ezt a közelítést, az ideális gázok modellje (PV = nRT), ahol n a molok száma, amely, ha eloszlik a V térfogattal, adja a moláris térfogatot.

Ezután a rendszerkörnyezet változásainak kifejezésével e változók függvényében mások definiálhatók, például munka (PV = W), amely nélkülözhetetlen a gépekhez és az ipari folyamatokhoz.

Másrészről, kémiai jelenségek esetén más típusú termodinamikai változók érdeklődik. Ezek közvetlenül kapcsolódnak az energia felszabadulásához vagy abszorpciójához, és függnek a molekulák belső természetétől: a kötések kialakulásától és típusától.

Termodinamikai folyamatok rendszerei és jelenségei

A felső képen a rendszer három típusát ábrázoljuk: zárt, nyitott és adiabatikus.

A zárt rendszerben nincs anyagátvitel a környezete és a környezete között, így egyetlen anyag sem léphet be vagy távozhat; az energia azonban átlépheti a doboz határait. Más szavakkal: az F jelenség energiát szabadíthat fel vagy képes felvenni, módosítva ezáltal a dobozon túl levőt.

Másrészről, a nyílt rendszerben a rendszer láthatáron vannak szaggatott vonaluk, ami azt jelenti, hogy mind az energia, mind az anyag jön és mehet a rendszer és a környezet között.

Végül, egy elkülönített rendszerben az anyag és az energia cseréje a környezet és a környezet között nulla; ezért a képen a harmadik dobozt egy buborék zárja be. Egyértelművé kell tenni, hogy a környezet lehet az egész világegyetem többi része, és hogy a tanulmány határozza meg, hogy milyen messze kell mérlegelni a rendszer hatókörét.

Fizikai és kémiai jelenségek

Mi az F jelenség? Az F betűvel jelölve és egy sárga körben a jelenség egy változás, amely bekövetkezik, és lehet az anyag fizikai módosítása, vagy annak átalakulása.

Mi a különbség? Röviden: az első nem szakad meg vagy nem hoz létre új hivatkozásokat, míg a második nem.

Így egy termodinamikai folyamat megvizsgálható annak alapján, hogy a jelenség fizikai vagy kémiai. Ugyanakkor mindkettőnek van közös változása bizonyos molekuláris vagy atomi tulajdonságokban.

Példák a fizikai jelenségekre

A víz melegítése egy edényben megnöveli az ütközéseket a molekulái között, addig a pontig, amikor gőzének nyomása megegyezik a légköri nyomással, és ezután a fázis folyékonyról gázra változik. Más szavakkal: a víz elpárolog.

Itt a vízmolekulák nem szakítják meg kötéseiket, de energiás változásokon mennek keresztül; vagy ami ugyanaz, a víz belső U energiája megváltozik.

Milyen termodinamikai változók vannak ebben az esetben? A P _ex légköri nyomás, a főzőgáz égésének hőmérsékleti szorzata és a víz térfogata.

A légköri nyomás állandó, de a víz hőmérséklete nem, mivel felmelegszik; sem a térfogat, mert molekulái az űrben terjednek. Ez egy példája egy fizikai jelenségnek egy izobár folyamatban; vagyis egy termodinamikai rendszer állandó nyomáson.

Mi lenne, ha néhány vizet betennénk a vizet egy főzőbe? Ebben az esetben a térfogat állandó marad (mindaddig, amíg a bab főzésekor a nyomás nem szabadul fel), de a nyomás és a hőmérséklet megváltozik.

Ennek oka az, hogy a keletkező gáz nem tud kijutni, és lepattan a fazék falain és a folyadék felületén. Ekkor egy másik fizikai jelenségről beszélünk, de egy izokórikus folyamaton belül.

Példák a kémiai jelenségekre

Megemlítették, hogy vannak olyan mikroszkopikus tényezőkhöz kapcsolódó termodinamikai változók, mint például a molekuláris vagy atomi szerkezet. Mik ezek a változók? Entalpia (H), entrópia (S), belső energia (U) és Gibbs-mentes energia (S).

Az anyag belső tulajdonságait ezek a makroszkopikus termodinamikai változók (P, T és V) határozzák meg és fejezik ki a kiválasztott matematikai modell szerint (általában az ideális gázoké). Ennek köszönhetően a termodinamikai vizsgálatok elvégezhetők kémiai jelenségekre.

Például szeretne tanulmányozni egy A + B => C típusú kémiai reakciót, de a reakció csak 70 ° C hőmérsékleten megy végbe. Ezenkívül 100 ° C feletti hőmérsékleten, ahelyett, hogy C keletkezik, D.

Ilyen körülmények között a reaktornak (annak a csoportnak, amelyben a reakció zajlik) garantálnia kell a 70 ° C körüli állandó hőmérsékletet, tehát a folyamat izoterm.

A termodinamikai folyamatok típusai és példái

Adiabatikus folyamatok

Ezek azok, amelyekben nincs nettó transzfer a rendszer és a környezete között. Ezt hosszú távon egy elkülönített rendszer garantálja (a buborék belsejében lévő doboz).

Példák

Erre példa a kaloriméterek, amelyek meghatározzák a kémiai reakcióból (égés, oldódás, oxidáció stb.) Felszabaduló vagy abszorbeált hőmennyiséget.

A fizikai jelenségen belül a forró gáz által generált mozgás a dugattyúkra gyakorolt ​​nyomás miatt. Hasonlóképpen, amikor egy légáram nyomást gyakorol a földi felületre, akkor annak hőmérséklete növekszik, amikor arra kényszerülnek, hogy táguljon.

Másrészről, ha a másik felület gáznemű és alacsonyabb sűrűségű, akkor a hőmérséklete csökken, amikor nagyobb nyomást érez, és részecskék kondenzálódására kényszeríti.

Az adiabatikus folyamatok ideálisak sok ipari folyamathoz, ahol az alacsonyabb hőveszteség alacsonyabb teljesítményt jelent, amely tükröződik a költségekben. Ilyennek tekintve a hőáramnak nullának kell lennie, vagy a rendszerbe belépő hőmennyiségnek egyenlőnek kell lennie a rendszerbe belépő hő mennyiségével.

Izotermikus folyamatok

Az izotermikus folyamatok azok, amelyekben a rendszer hőmérséklete állandó marad. Ezt munkával végzi el, így a többi változó (P és V) idővel változik.

Példák

Az ilyen típusú termodinamikai folyamatok számtalan példát tartalmaznak. Lényegében a sejtek aktivitásának nagy része állandó hőmérsékleten zajlik (az ionok és a víz cseréje a sejtmembránok között). A kémiai reakciók során izotermikus folyamatoknak tekintik mindazokat, amelyek termikus egyensúlyt teremtenek.

Az emberi anyagcsere képes állandó testhőmérsékletet (kb. 37ºC) fenntartani a kémiai reakciók széles sorozatán keresztül. Ezt az élelemből nyert energiának köszönhetően lehet elérni.

A fázisváltozások izoterm folyamatok is. Például, amikor egy folyadék lefagy, hőt bocsát ki, megakadályozva, hogy a hőmérséklet tovább csökkenjen, amíg teljesen szilárd fázisba nem kerül. Ha ez megtörténik, a hőmérséklet tovább csökkenhet, mivel a szilárd anyag már nem szabadít fel energiát.

Azokban az rendszerekben, amelyek ideális gázokat tartalmaznak, az U belső energiaváltozása nulla, tehát az összes hő felhasználásra kerül a munka elvégzéséhez.

Izobarikus folyamatok

Ezekben a folyamatokban a nyomás a rendszerben állandó marad, változtatva térfogatát és hőmérsékletét. Általában a légkör előtt nyitott rendszerekben vagy olyan zárt rendszerekben fordulhatnak elő, amelyek határait a térfogat-növekedés deformálhatja, oly módon, hogy ellensúlyozza a nyomás növekedését.

Példák

A motorok belsejében lévő hengerekben, amikor a gáz felmelegszik, nyomja meg a dugattyút, amely megváltoztatja a rendszer térfogatát.

Ha nem ez lenne a helyzet, akkor a nyomás növekedni fog, mivel a rendszer nem képes csökkenteni a gáznemű falak ütközését a henger falán.

Isochorikus folyamatok

Az izokorikus folyamatokban a térfogat állandó marad. Olyannak is tekinthető, amelyben a rendszer nem generál munkát (W = 0).

Alapvetően fizikai vagy kémiai jelenségek, amelyeket bármely tartály belsejében vizsgálnak, akár keveréssel, akár nem.

Példák

Ezen eljárásokra példa többek között az ételek főzése, a kávé elkészítése, a fagylaltos üveg hűtése, a cukor kristályosítása, a rosszul oldódó csapadék feloldása, ioncserélő kromatográfia.

Irodalom

1. Jones, Andrew Zimmerman. (2016, szeptember 17). Mi az a termodinamikai folyamat? Forrás: gondolat.com
2. J. Wilkes. (2014). Termodinamikai folyamatok.. Feltéve: Kurss.washington.edu
3. Tanulmány (2016. augusztus 9.). Termodinamikai folyamatok: izobarikus, izokorikus, izotermikus és adiabatikus. Forrás: study.com
4. Kevin Wandrei. (2018). Melyek a termodinamika első és második törvényének mindennapi példái? Hearst Seattle Media, LLC. Forrás: education.seattlepi.com
5. Lambert. (2006). A termodinamika második törvénye. Fent: entropysite.oxy.edu
6. 15 Termodinamika.. Forrás: wright.edu