Θερμοδυναμικοί τύποι διεργασιών και παραδείγματα

Το θερμοδυναμικές διεργασίες είναι φυσικά ή χημικά φαινόμενα που περιλαμβάνουν ροή θερμότητας (ενέργειας) ή εργασίας μεταξύ ενός συστήματος και του περιβάλλοντος. Όταν μιλάμε για θερμότητα, έρχεται στο μυαλό μας η λογική της φωτιάς, η οποία είναι η εξαίρετη εκδήλωση μιας διαδικασίας που απελευθερώνει πολλή θερμική ενέργεια.

Το σύστημα μπορεί να είναι μακροσκοπικό (τραίνο, πυραύλος, ηφαίστειο) και μικροσκοπικό (άτομα, βακτήρια, μόρια, κβαντικές κουκίδες κ.λπ.). Αυτό διαχωρίζεται από το υπόλοιπο σύμπαν για να εξετάσει τη θερμότητα ή το έργο που εισέρχεται ή φεύγει από αυτό.

Ωστόσο, δεν υπάρχει μόνο η ροή θερμότητας, αλλά τα συστήματα μπορούν επίσης να δημιουργούν αλλαγές σε ορισμένες μεταβλητές του περιβάλλοντός τους σε απόκριση του εξεταζόμενου φαινομένου. Σύμφωνα με τους θερμοδυναμικούς νόμους, πρέπει να υπάρχει αντιστάθμιση ανάμεσα στην απόκριση και τη θερμότητα, έτσι ώστε η ύλη και η ενέργεια να διατηρούνται πάντοτε.

Τα παραπάνω ισχύουν για μακροσκοπικά και μικροσκοπικά συστήματα. Η διαφορά μεταξύ του πρώτου και του τελευταίου είναι οι μεταβλητές που θεωρούνται ότι ορίζουν τις ενεργειακές τους καταστάσεις (στην ουσία, την αρχική και την τελική).

Ωστόσο, τα θερμοδυναμικά μοντέλα στοχεύουν στη σύνδεση των δύο κόσμων ελέγχοντας μεταβλητές όπως η πίεση, ο όγκος και η θερμοκρασία των συστημάτων, διατηρώντας ορισμένες από αυτές τις σταθερές για να μελετήσουν την επίδραση των άλλων.

Το πρώτο μοντέλο που επιτρέπει αυτή την προσέγγιση είναι αυτό των ιδεωδών αερίων (PV = nRT), όπου n είναι ο αριθμός των γραμμομορίων, ότι όταν χωρίζεται μεταξύ του όγκου V ο μοριακός όγκος λαμβάνεται.

Στη συνέχεια, εκφράζοντας τις αλλαγές μεταξύ των συστημάτων ανάλογα με αυτές τις μεταβλητές, άλλες μπορούν να οριστούν ως εργασίες (PV = W), απαραίτητες για μηχανές και βιομηχανικές διεργασίες.

Από την άλλη πλευρά, ένας άλλος τύπος θερμοδυναμικής μεταβλητής έχει μεγαλύτερο ενδιαφέρον για τα χημικά φαινόμενα. Αυτά σχετίζονται άμεσα με την απελευθέρωση ή την απορρόφηση ενέργειας και εξαρτώνται από την εγγενή φύση των μορίων: τον σχηματισμό και τους τύπους των συνδέσεων.

Ευρετήριο

• 1 Συστήματα και φαινόμενα σε θερμοδυναμικές διεργασίες
  • 1.1 Φυσικά και χημικά φαινόμενα
  • 1.2 Παραδείγματα φυσικών φαινομένων
  • 1.3 Παραδείγματα χημικών φαινομένων
• 2 Τύποι και παραδείγματα θερμοδυναμικών διεργασιών
  • 2.1 Αδιαβατικές διεργασίες
  • 2.2 Ισοθερμικές διεργασίες
  • 2.3 Ισοβαρικές διεργασίες
  • 2.4 Διαδικασίες ισορροπίας
• 3 Αναφορές

Συστήματα και φαινόμενα σε θερμοδυναμικές διεργασίες

Στην παραπάνω εικόνα παρουσιάζονται οι τρεις τύποι συστημάτων: κλειστός, ανοιχτός και αδιαβατικός.

Στο κλειστό σύστημα δεν υπάρχει μεταφορά της ύλης μεταξύ αυτού και του περιβάλλοντος, έτσι ώστε να μη μπορεί να εισέλθει ή να εξέρχεται τίποτα. Ωστόσο, η ενέργεια μπορεί να διασχίσει τα σύνορα του κουτιού. Με άλλα λόγια: το φαινόμενο F μπορεί να απελευθερώσει ή να απορροφήσει ενέργεια, τροποποιώντας έτσι αυτό που είναι πέρα ​​από το κιβώτιο.

Από την άλλη πλευρά, στο ανοιχτό σύστημα, οι ορίζοντες του συστήματος έχουν τις διακεκομμένες γραμμές τους, πράγμα που σημαίνει ότι τόσο η ενέργεια όσο και η ύλη μπορούν να έρθουν και να περάσουν μεταξύ αυτού και του περιβάλλοντος.

Τέλος, σε ένα απομονωμένο σύστημα η ανταλλαγή της ύλης και της ενέργειας μεταξύ αυτού και του περιβάλλοντος είναι μηδενική. Για το λόγο αυτό, στην εικόνα το τρίτο κουτί περικλείεται σε μια φούσκα. Είναι αναγκαίο να διευκρινιστεί ότι το περιβάλλον μπορεί να είναι το υπόλοιπο σύμπαν και ότι η μελέτη είναι εκείνη που καθορίζει πόσο πολύ πρέπει να εξεταστεί το πεδίο εφαρμογής του συστήματος.

Φυσικά και χημικά φαινόμενα

Τι ακριβώς είναι το φαινόμενο F; Αναφέρεται από το γράμμα F και μέσα σε έναν κίτρινο κύκλο, το φαινόμενο είναι μια αλλαγή που λαμβάνει χώρα και μπορεί να είναι η φυσική τροποποίηση της ύλης ή η μετατροπή της.

Ποια είναι η διαφορά; Επιλεκτικά: η πρώτη δεν σπάει ή δημιουργεί νέους συνδέσμους, ενώ ο δεύτερος κάνει.

Έτσι, μπορεί να εξεταστεί μια θερμοδυναμική διαδικασία ανάλογα με το αν το φαινόμενο είναι φυσικό ή χημικό. Ωστόσο, και οι δύο έχουν από κοινού αλλαγή σε κάποια μοριακή ή ατομική ιδιότητα.

Παραδείγματα φυσικών φαινομένων

Το νερό θέρμανσης σε δοχείο προκαλεί αύξηση των συγκρούσεων μεταξύ των μορίων του, μέχρι το σημείο όπου η πίεση των ατμών του ισούται με την ατμοσφαιρική πίεση και στη συνέχεια συμβαίνει η αλλαγή φάσης από υγρό σε αέριο. Με άλλα λόγια: το νερό εξατμίζεται.

Εδώ τα μόρια του νερού δεν σπάζουν κανένα από τους δεσμούς τους, αλλά υποβάλλονται σε αλλαγές ενέργειας. ή ό, τι είναι το ίδιο, η εσωτερική ενέργεια U του νερού τροποποιείται.

Ποιες είναι οι θερμοδυναμικές μεταβλητές για αυτήν την περίπτωση; Η ατμοσφαιρική πίεση P_πρώην, η θερμοκρασία που παράγεται από την καύση του αερίου μαγειρέματος και τον όγκο του νερού.

Η ατμοσφαιρική πίεση είναι σταθερή, αλλά η θερμοκρασία του νερού δεν είναι, αφού θερμαίνεται. ούτε ο όγκος, επειδή τα μόρια της αναπτύσσονται στο διάστημα. Αυτό είναι ένα παράδειγμα ενός φυσικού φαινομένου μέσα σε μια ισοβαρή διαδικασία. δηλαδή, ένα θερμοδυναμικό σύστημα υπό συνεχή πίεση.

Τι γίνεται αν βάλετε το νερό με φασόλια μέσα σε μια χύτρα ταχύτητας; Σε αυτή την περίπτωση, ο όγκος παραμένει σταθερός (όσο η πίεση δεν απελευθερώνεται κατά το μαγείρεμα των κόκκων), αλλά η αλλαγή πίεσης και θερμοκρασίας.

Αυτό συμβαίνει επειδή το αέριο που παράγεται δεν μπορεί να ξεφύγει και revota στους τοίχους του δοχείου και της επιφανείας του υγρού. Μιλάμε για ένα άλλο φυσικό φαινόμενο, αλλά μέσα σε μια ισοοριστική διαδικασία.

Παραδείγματα χημικών φαινομένων

Ανέφερε ότι υπάρχουν εγγενείς μικροσκοπικές παράγοντες, όπως τα μοριακά ή ατομική δομή θερμοδυναμικές μεταβλητές. Ποιες είναι αυτές οι μεταβλητές; Ενθαλπία (Η), εντροπία (S), η εσωτερική ενέργεια (U) και ελεύθερη ενέργεια Gibbs (S).

Αυτές οι εγγενείς μεταβλητές της ύλης καθορίζονται και εκφράζονται με την έννοια των μακροσκοπικών θερμοδυναμικών μεταβλητών (P, T και V), σύμφωνα με το επιλεγμένο μαθηματικό μοντέλο (γενικά το ιδανικό μοντέλο αερίου). Χάρη σε αυτές τις θερμοδυναμικές μελέτες μπορούν να γίνουν τα χημικά φαινόμενα.

Για παράδειγμα, θέλουμε να μελετήσουμε μια χημική αντίδραση τύπου Α + Β => C, αλλά η αντίδραση συμβαίνει μόνο σε θερμοκρασία 70 ° C. Επιπρόσθετα, σε θερμοκρασίες άνω των 100 ° C, αντί για παραγωγή C, D δημιουργείται.

Υπό αυτές τις συνθήκες, ο αντιδραστήρας (εφόσον η συναρμολόγηση εκτελείται η αντίδραση) πρέπει να εξασφαλίζει μία σταθερή θερμοκρασία γύρω 70C, έτσι ώστε η διαδικασία είναι ισοθερμική.

Τύποι και παραδείγματα θερμοδυναμικών διεργασιών

Αδιαβατικές διεργασίες

Αυτά είναι εκείνα στα οποία δεν υπάρχει καθαρή μεταφορά μεταξύ του συστήματος και του περιβάλλοντος. Αυτό σε μακροπρόθεσμη βάση είναι εγγυημένο από ένα απομονωμένο σύστημα (το πλαίσιο μέσα στη φούσκα).

Παραδείγματα

Ένα παράδειγμα αυτού είναι τα θερμιδόμετρα, τα οποία καθορίζουν την ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται ή απορροφάται από μια χημική αντίδραση (καύση, διάλυση, οξείδωση κ.λπ.).

Εντός φυσικά φαινόμενα είναι η κίνηση που παράγει θερμό αέριο, λόγω της πίεσης που ασκείται στα έμβολα. Επίσης, όταν μία ροή αέρα καθιστά πίεση πάνω σε μια επιφάνεια του εδάφους, η θερμοκρασία του ανεβαίνει καθώς αναγκάζεται να επεκταθεί.

Από την άλλη πλευρά, εάν η άλλη επιφάνεια είναι αέρια και έχει χαμηλότερη πυκνότητα, η θερμοκρασία της θα μειωθεί όταν αισθάνεται μια υψηλότερη πίεση, αναγκάζοντας τα σωματίδια της να συμπυκνώσουν.

Οι αδιαβατικές διεργασίες είναι ιδανικές για πολλές βιομηχανικές διεργασίες, στις οποίες η μικρότερη απώλεια θερμότητας συνεπάγεται χαμηλότερη απόδοση που αντικατοπτρίζεται στο κόστος. Για να το θεωρήσουμε ως τέτοιο, η ροή θερμότητας πρέπει να είναι μηδέν ή η ποσότητα θερμότητας που εισέρχεται πρέπει να είναι ίση με την ποσότητα που εισέρχεται στο σύστημα..

Ισοθερμικές διεργασίες

Οι ισοθερμικές διεργασίες είναι όλες εκείνες στις οποίες η θερμοκρασία του συστήματος παραμένει σταθερή. Αυτό γίνεται με την εργασία, έτσι ώστε οι άλλες μεταβλητές (P και V) να διαφέρουν ανάλογα με το χρόνο.

Παραδείγματα

Παραδείγματα αυτού του τύπου θερμοδυναμικής διεργασίας είναι αναρίθμητα. Στην ουσία, πολύ κυτταρική δραστηριότητα λαμβάνει χώρα σε σταθερή θερμοκρασία (η ανταλλαγή ιόντων και νερού μέσω κυτταρικών μεμβρανών). Εντός των χημικών αντιδράσεων, όλες εκείνες που δημιουργούν θερμικές ισορροπίες θεωρούνται ισοθερμικές διεργασίες.

Ο ανθρώπινος μεταβολισμός καταφέρνει να διατηρεί τη σταθερή θερμοκρασία του σώματος (περίπου 37 ° C) μέσα από ένα ευρύ φάσμα χημικών αντιδράσεων. Αυτό επιτυγχάνεται χάρη στην ενέργεια που λαμβάνεται από τα τρόφιμα.

Οι αλλαγές φάσης είναι επίσης ισοθερμικές διεργασίες. Για παράδειγμα, όταν το υγρό παγώνει, απελευθερώνει θερμότητα, εμποδίζοντας τη μείωση της θερμοκρασίας μέχρι να γίνει τελείως σε στερεή φάση. Μόλις συμβεί αυτό, η θερμοκρασία μπορεί να συνεχίσει να μειώνεται, επειδή το στερεό δεν απελευθερώνει πλέον ενέργεια.

Σε εκείνα τα συστήματα που περιλαμβάνουν ιδανικά αέρια, η αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας U είναι μηδέν, οπότε όλη η θερμότητα χρησιμοποιείται για την εκτέλεση της εργασίας.

Ισοβαρικές διαδικασίες

Σε αυτές τις διαδικασίες η πίεση στο σύστημα παραμένει σταθερή, μεταβάλλοντας τον όγκο και τη θερμοκρασία του. Γενικά, μπορούν να εμφανιστούν σε συστήματα ανοικτά στην ατμόσφαιρα ή σε κλειστά συστήματα των οποίων τα όρια μπορούν να παραμορφωθούν από την αύξηση του όγκου, προκειμένου να αντισταθμιστεί η αύξηση της πίεσης.

Παραδείγματα

Στους κυλίνδρους εντός των κινητήρων, όταν το αέριο θερμαίνεται, ωθεί το έμβολο, το οποίο τροποποιεί την ένταση του συστήματος.

Εάν δεν συνέβαινε αυτό, η πίεση θα αυξηθεί, καθώς το σύστημα δεν έχει κανένα τρόπο να μειώσει τις συγκρούσεις αερίων ειδών στα τοιχώματα του κυλίνδρου..

Ισοκορικές διεργασίες

Στις ισοχορικές διαδικασίες ο όγκος παραμένει σταθερός. Μπορούν επίσης να θεωρηθούν εκείνες στις οποίες το σύστημα δεν δημιουργεί εργασία (W = 0).

Βασικά, είναι φυσικά ή χημικά φαινόμενα που μελετώνται μέσα σε κάθε περιέκτη, είτε με ανάδευση είτε όχι.

Παραδείγματα

Παραδείγματα αυτών των διαδικασιών είναι το μαγείρεμα των τροφίμων, η παρασκευή καφέ, η ψύξη μίας φιάλης παγωτού, η κρυστάλλωση του σακχάρου, η διάλυση ενός λίγο διαλυτού ιζήματος, η ιοντοανταλλακτική χρωματογραφία, μεταξύ άλλων..

Αναφορές

1. Jones, Andrew Zimmerman. (17 Σεπτεμβρίου 2016). Τι είναι μια Θερμοδυναμική Διαδικασία; Από: thoughtco.com
2. J. Wilkes. (2014). Θερμοδυναμικές διεργασίες. [PDF] Λαμβάνεται από: courses.washington.edu
3. Μελέτη (9 Αυγούστου 2016). Θερμοδυναμικές διεργασίες: Ισοβαρική, ισοχορική, ισοθερμική και αδιαβατική. Από: study.com
4. Kevin Wandrei (2018). Ποια είναι μερικά καθημερινά παραδείγματα του πρώτου και δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής; Hearst Seattle Media, LLC. Από: education.seattlepi.com
5. Lambert. (2006). Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Λαμβάνεται από: entropysite.oxy.edu
6. 15 Θερμοδυναμική. [PDF] Από: wright.edu