Typy a příklady termodynamických procesů

termodynamické procesy jsou to fyzikální nebo chemické jevy, které zahrnují tok tepla (energie) nebo práci mezi systémem a jeho okolím. Když mluvíme o žáru, racionálně přichází na mysl obraz ohně, který je projevem par excellence procesu, který uvolňuje hodně tepelné energie.

Systém může být makroskopický (vlak, raketa, sopka) a mikroskopický (atomy, bakterie, molekuly, kvantové tečky atd.). To je odděleno od zbytku vesmíru, aby bylo možné zvážit teplo nebo práci, která vchází nebo zanechává.

Neexistuje však pouze tok tepla, ale systémy mohou také generovat změny v některých proměnných prostředí v reakci na uvažovaný jev. Podle termodynamických zákonů musí existovat kompenzace mezi odezvou a teplem, takže hmota a energie jsou vždy zachovány.

Výše uvedené platí pro makroskopické a mikroskopické systémy. Rozdíl mezi první a poslední jsou proměnné, které jsou považovány za definující své energetické stavy (v podstatě počáteční a konečné)..

Termodynamické modely však mají za cíl spojit oba světy ovládáním proměnných, jako je tlak, objem a teplota systémů, přičemž některé z těchto konstant budou studovány s účinkem ostatních..

První model, který umožňuje tuto aproximaci, je ideálními plyny (PV = nRT), kde n je počet molů, které se při dělení mezi objemem V získá molární objem..

Poté, co se projeví změny mezi jednotlivými systémy v závislosti na těchto proměnných, mohou být jiné definovány jako práce (PV = W), nepostradatelné pro stroje a průmyslové procesy..

Na druhé straně, jiný typ termodynamické proměnné má větší zájem o chemické jevy. Ty přímo souvisejí s uvolňováním nebo absorpcí energie a jsou závislé na vnitřní povaze molekul: formování a typy vazeb.

Index

• 1 Systémy a jevy v termodynamických procesech
  • 1.1 Fyzikální a chemické jevy
  • 1.2 Příklady fyzikálních jevů
  • 1.3 Příklady chemických jevů
• 2 Typy a příklady termodynamických procesů
  • 2.1 Adiabatické procesy
  • 2.2 Izotermické procesy
  • 2.3 Isobarické procesy
  • 2.4 Isochorické procesy
• 3 Odkazy

Systémy a jevy v termodynamických procesech

Na obrázku jsou znázorněny tři typy systémů: uzavřené, otevřené a adiabatické.

V uzavřeném systému nedochází k přenosu hmoty mezi ní a okolím, takže nemůže vniknout ani vystoupit; energie však může překročit hranice krabice. Jinými slovy: fenomén F může uvolnit nebo absorbovat energii, čímž se změní to, co je mimo krabici.

Na druhé straně, v otevřeném systému mají obzory systému své tečkované čáry, což znamená, že energie a hmota mohou přicházet a odcházet mezi nimi a okolím.

Konečně, v izolovaném systému je výměna hmoty a energie mezi ní a okolím nulová; z tohoto důvodu je na obrázku třetí box uzavřen v bublině. Je třeba objasnit, že okolí může být zbytkem vesmíru, a že studie je ta, která definuje, jak daleko je možné uvažovat o rozsahu systému..

Fyzikální a chemické jevy

Co je to konkrétně fenomén F? Fenomén je označen písmenem F a ve žlutém kruhu a jedná se o změnu, která se odehrává a může být fyzickou modifikací hmoty nebo její transformací..

Jaký je rozdíl? Stručně: první neporušuje ani nevytváří nové vazby, zatímco druhá dělá.

Termodynamický proces tak může být zvažován podle toho, zda je tento jev fyzikální nebo chemický. Oba však mají společnou změnu v některých molekulárních nebo atomových vlastnostech.

Příklady fyzikálních jevů

Ohřívací voda v nádobě způsobuje nárůst kolizí mezi jejími molekulami, až do bodu, kdy tlak jejích par se rovná atmosférickému tlaku, a pak dochází k fázové změně z kapaliny na plyn. Jinými slovy: voda se vypařuje.

Zde molekuly vody neporušují žádnou ze svých vazeb, ale podléhají energetickým změnám; nebo co je stejné, vnitřní energie U vody je modifikována.

Jaké jsou termodynamické proměnné pro tento případ? Atmosférický tlak P_bývalé, teplota vznikající spalováním varného plynu a objemem vody.

Atmosférický tlak je konstantní, ale teplota vody není, protože se zahřívá; ani objem, protože jeho molekuly expandují ve vesmíru. Toto je příklad fyzického jevu v isobarickém procesu; to znamená termodynamický systém při konstantním tlaku.

Co když dáte vodu s nějakými fazolkami do tlakového hrnce? V tomto případě zůstává objem konstantní (pokud není tlak při vaření zrn uvolněn), ale tlak a změna teploty.

Je to proto, že vyrobený plyn nemůže unikat a otáčet se na stěnách nádoby a na povrchu kapaliny. Mluvíme o jiném fyzickém jevu, ale v isochorickém procesu.

Příklady chemických jevů

Bylo zmíněno, že existují termodynamické proměnné vlastní mikroskopickým faktorům, jako je molekulární nebo atomová struktura. Jaké jsou tyto proměnné? Entalpie (H), entropie (S), vnitřní energie (U) a volná energie Gibbs (S).

Tyto vnitřní proměnné hmoty jsou definovány a vyjádřeny v termínech makroskopických termodynamických proměnných (P, T a V) podle zvoleného matematického modelu (obecně model ideálního plynu). Díky této termodynamické studii lze provést chemické jevy.

Například chceme studovat chemickou reakci typu A + B => C, ale reakce probíhá pouze při teplotě 70 ° C. Kromě toho se při teplotách nad 100 ° C generuje místo výroby C místo D.

Za těchto podmínek musí reaktor (sestava, kde se provádí reakce) zaručit konstantní teplotu kolem 70 ° C, takže proces je izotermický.

Typy a příklady termodynamických procesů

Adiabatické procesy

Jsou to ty, v nichž neexistuje žádný čistý přenos mezi systémem a jeho okolím. To je dlouhodobě garantováno izolovaným systémem (box uvnitř bubliny).

Příklady

Příkladem jsou kalorimetry, které určují množství uvolněného nebo absorbovaného tepla z chemické reakce (spalování, rozpouštění, oxidace atd.).

V rámci fyzikálních jevů je pohyb, který vytváří horký plyn v důsledku tlaku vyvíjeného na písty. Podobně, když proud vzduchu tlačí na zemský povrch, jeho teplota se zvyšuje, protože je nucena expandovat.

Na druhé straně, pokud je druhý povrch plynný a má nižší hustotu, jeho teplota se sníží, když se cítí vyšší tlak, což nutí jeho částice kondenzovat..

Adiabatické procesy jsou ideální pro mnoho průmyslových procesů, ve kterých nižší tepelné ztráty znamenají nižší výkon, který se odráží v nákladech. Abychom to považovali za takové, musí být tepelný tok nulový nebo množství tepla, které vstupuje, musí být rovno množství, které vstupuje do systému..

Izotermické procesy

Izotermické procesy jsou všechny, ve kterých teplota systému zůstává konstantní. To se provádí prací, takže ostatní proměnné (P a V) se mění s časem.

Příklady

Příklady tohoto typu termodynamického procesu jsou nesčetné. V podstatě probíhá mnoho buněčné aktivity při konstantní teplotě (výměna iontů a vody přes buněčné membrány). V rámci chemických reakcí se za izotermické procesy považují všechny, které vytvářejí tepelné rovnováhy.

Lidský metabolismus dokáže udržet konstantní tělesnou teplotu (přibližně 37 ° C) v širokém spektru chemických reakcí. Toho je dosaženo díky energii, která se získává z potravin.

Fázové změny jsou také izotermické procesy. Například, když kapalina zamrzne, uvolňuje teplo a zabraňuje poklesu teploty, dokud není zcela v pevné fázi. Jakmile se to stane, teplota může i nadále klesat, protože tuhá látka již uvolňuje energii.

V těch systémech, které zahrnují ideální plyny, je změna vnitřní energie U nulová, takže veškeré teplo se používá k provedení práce.

Isobarické procesy

V těchto procesech zůstává tlak v systému konstantní, mění se jeho objem a teplota. Obecně se mohou vyskytovat v systémech otevřených do atmosféry nebo v uzavřených systémech, jejichž meze mohou být deformovány zvýšením objemu, aby se zabránilo nárůstu tlaku.

Příklady

Ve válcích uvnitř motorů, když je plyn ohříván, tlačí píst, který mění objem systému.

Pokud by tomu tak nebylo, tlak by se zvýšil, protože systém nemá žádný způsob, jak omezit srážky plynných látek na stěnách válce..

Isochorické procesy

V izochorických procesech zůstává objem konstantní. Lze to také považovat za ty, ve kterých systém nevytváří žádnou práci (W = 0).

V podstatě jsou to fyzikální nebo chemické jevy, které jsou studovány uvnitř jakéhokoliv kontejneru, ať už s agitací nebo ne.

Příklady

Příklady těchto způsobů jsou vaření potravin, příprava kávy, chlazení láhve zmrzliny, krystalizace cukru, rozpouštění málo rozpustné sraženiny, iontoměničová chromatografie..

Odkazy

1. Jones, Andrew Zimmerman. (17. září 2016). Co je to termodynamický proces? Převzato z: thoughtco.com
2. J. Wilkes. (2014). Termodynamické procesy. [PDF] Převzato z: courses.washington.edu
3. Studium (9. srpna 2016). Termodynamické procesy: Isobaric, Isochoric, Isothermal & Adiabatic. Převzato z: study.com
4. Kevin Wandrei (2018). Jaké jsou některé každodenní příklady prvních a druhých zákonů termodynamiky? Hearst Seattle Media, LLC. Převzato z: education.seattlepi.com
5. Lambert. (2006). Druhý zákon termodynamiky. Převzato z: entropysite.oxy.edu
6. 15 Termodynamika. [PDF] Převzato z: wright.edu