TERMODYNAMISKA PROCESSER: TYPER OCH EXEMPEL - KEMI - 2025

De termodynamiska processerna är fysiska eller kemiska fenomen som involverar värmeflöde (energi) eller arbete mellan ett system och dess omgivningar. När man talar om värme kommer bilden av eld rationellt att tänka på, vilket är den väsentliga manifestationen av en process som frigör mycket termisk energi.

Systemet kan vara både makroskopiskt (ett tåg, en raket, en vulkan) och mikroskopiskt (atomer, bakterier, molekyler, kvantpunkter osv.). Detta separeras från resten av universum för att ta hänsyn till värmen eller arbetet som kommer in eller lämnar det.

Emellertid existerar inte bara värmeflödet, utan systemen kan också generera förändringar i någon variabel i sin miljö som ett svar på det övervägande fenomenet. Enligt termodynamiska lagar måste det finnas en avvägning mellan respons och värme så att materie och energi alltid bevaras.

Ovanstående gäller för makroskopiska och mikroskopiska system. Skillnaden mellan den första och den sista är variablerna som anses definiera deras energitillstånd (i huvudsak det initiala och det slutliga).

Termodynamiska modeller försöker emellertid ansluta båda världar genom att kontrollera variabler som tryck, volym och temperatur på systemen, för att hålla några av dessa konstanter för att studera effekten av de andra.

Den första modellen som möjliggör denna tillnärmning är den för ideala gaser (PV = nRT), där n är antalet mol, som när det divideras med volymen V ger molvolymen.

Sedan, uttrycka förändringarna mellan system-omgivningen som en funktion av dessa variabler, kan andra definieras, såsom arbete (PV = W), viktigt för maskiner och industriella processer.

Å andra sidan, för kemiska fenomen, är andra typer av termodynamiska variabler av större intresse. Dessa är direkt relaterade till frisläppande eller absorption av energi och beror på molekylernas inneboende natur: bildning och typer av bindningar.

System och fenomen i termodynamiska processer

I den övre bilden representeras de tre typerna av system: stängd, öppen och adiabatisk.

I det slutna systemet sker ingen överföring av materia mellan den och dess omgivningar, så att inget kan komma in eller lämna; energi kan dock passera gränserna för lådan. Med andra ord: fenomen F kan frigöra eller absorbera energi och därmed modifiera vad som är bortom lådan.

Å andra sidan, i det öppna systemet har systemets horisonter sina prickade linjer, vilket innebär att både energi och materia kan komma och gå mellan det och omgivningen.

Slutligen, i ett isolerat system är utbytet av materia och energi mellan det och omgivningen noll; av denna anledning är den tredje rutan i bilden innesluten i en bubbla. Det är nödvändigt att klargöra att omgivningen kan vara resten av universum och att studien är den som definierar hur långt man ska beakta systemets omfattning.

Fysiska och kemiska fenomen

Vad är specifikt fenomen F? Anges med bokstaven F och inom en gul cirkel är fenomenet en förändring som äger rum och kan vara den fysiska modifieringen av materien eller dess omvandling.

Vad är skillnaden? Kortfattat: den första bryter inte eller skapar nya länkar, medan den andra gör det.

Således kan en termodynamisk process övervägas beroende på om fenomenet är fysiskt eller kemiskt. Emellertid har båda gemensamt en förändring i någon molekylär eller atomisk egenskap.

Exempel på fysiska fenomen

Uppvärmning av vatten i en kruka orsakar en ökning av kollisioner mellan dess molekyler, till den punkt där dess ångtryck är lika med atmosfärstrycket, och därefter sker fasförändringen från vätska till gas. Med andra ord: vattnet avdunstar.

Här bryter vattenmolekylerna inte några av sina bindningar, men de genomgår energiska förändringar; eller vad som är samma, den interna energin U i vattnet modifieras.

Vilka är de termodynamiska variablerna för detta fall? Atmosfäriskt tryck P _ex , temperaturprodukten från förbränningen av kokgas och vattenvolymen.

Atmosfäriskt tryck är konstant, men temperaturen på vattnet är inte eftersom det värms upp; inte heller volymen, eftersom dess molekyler expanderar i rymden. Detta är ett exempel på ett fysiskt fenomen inom en isobarisk process; det vill säga ett termodynamiskt system vid konstant tryck.

Tänk om du lägger vattnet med några bönor i en tryckkokare? I detta fall förblir volymen konstant (så länge trycket inte släpps när bönorna är kokta), men trycket och temperaturen ändras.

Detta beror på att den producerade gasen inte kan slippa ut och studsar bort från väggarna i krukan och vätskans yta. Vi talar då om ett annat fysiskt fenomen men inom en isokorisk process.

Exempel på kemiska fenomen

Det nämndes att det finns termodynamiska variabler inneboende för mikroskopiska faktorer, såsom molekylär eller atomstruktur. Vilka är dessa variabler? Enthalpy (H), entropi (S), intern energi (U) och Gibbs fri energi (S).

Dessa intrinsiska materialvariabler definieras och uttrycks i termer av makroskopiska termodynamiska variabler (P, T och V), enligt den valda matematiska modellen (vanligtvis den för ideala gaser). Tack vare denna termodynamiska studier kan man utföra kemiska fenomen.

Till exempel vill du studera en kemisk reaktion av typen A + B => C, men reaktionen sker bara vid en temperatur på 70 ºC. Vid temperaturer över 100 ° C istället för att C produceras, dessutom D.

Under dessa förhållanden måste reaktorn (aggregatet där reaktionen genomförs) garantera en konstant temperatur på cirka 70 ºC, så att processen är isotermisk.

Typer och exempel på termodynamiska processer

Adiabatiska processer

Det är de där det inte sker någon nettoverföring mellan systemet och dess omgivningar. Detta på lång sikt garanteras av ett isolerat system (rutan inuti bubblan).

exempel

Ett exempel på detta är kalorimetrar som bestämmer mängden värme som frigörs eller absorberas från en kemisk reaktion (förbränning, upplösning, oxidation etc.).

Inom de fysiska fenomenen är rörelsen som genereras av den heta gasen på grund av trycket som utövas på kolvarna. På samma sätt, när en luftström utövar tryck på en markyta, ökar dess temperatur när den tvingas expandera.

Å andra sidan, om den andra ytan är gasformig och har en lägre densitet, kommer temperaturen att minska när den känner ett högre tryck, vilket tvingar dess partiklar att kondensera.

Adiabatiska processer är idealiska för många industriella processer, där lägre värmeförluster innebär lägre prestanda vilket återspeglas i kostnader. För att betrakta det som sådant måste värmeflödet vara noll eller mängden värme som kommer in i systemet måste vara lika med den som kommer in i systemet.

Isotermiska processer

Isotermiska processer är alla de där systemets temperatur förblir konstant. Det gör detta genom att göra arbete, så att de andra variablerna (P och V) varierar över tiden.

exempel

Exempel på denna typ av termodynamisk process är otaliga. I huvudsak sker mycket av cellaktiviteten vid konstant temperatur (utbytet av joner och vatten över cellmembranen). Inom kemiska reaktioner betraktas alla de som upprättar termiska jämvikter som isotermiska processer.

Mänsklig metabolism lyckas upprätthålla en konstant kroppstemperatur (ungefär 37 ° C) genom en bred serie kemiska reaktioner. Detta uppnås tack vare energin från mat.

Fasförändringar är också isotermiska processer. Till exempel, när en vätska fryser frigör den värme och förhindrar att temperaturen fortsätter att sjunka tills den är helt i fast fas. När detta händer kan temperaturen fortsätta att sjunka, eftersom det fasta materialet inte längre släpper energi.

I de system som involverar ideala gaser är förändringen i intern energi U noll, så all värme används för att utföra arbete.

Isobariska processer

I dessa processer förblir trycket i systemet konstant och varierar dess volym och temperatur. I allmänhet kan de förekomma i system öppna för atmosfären, eller i slutna system vars gränser kan deformeras av ökningen i volym, på ett sätt som motverkar ökningen i tryck.

exempel

I cylindrar inuti motorer, när gasen värms upp, trycker den på kolven, vilket ändrar systemets volym.

Om detta inte var fallet skulle trycket öka, eftersom systemet inte har något sätt att minska kollisionerna hos gasformen på cylinderväggarna.

Isokoriska processer

I isokoriska processer förblir volymen konstant. Det kan också betraktas som de där systemet inte genererar något arbete (W = 0).

I grund och botten är det fysiska eller kemiska fenomen som studeras i valfri behållare, oavsett om det rör sig om eller inte.

exempel

Exempel på dessa processer är matlagning av mat, beredning av kaffe, kylning av en glassflaska, kristallisation av socker, upplösning av en dåligt löslig fällning, en jonbyteskromatografi, bland andra.

referenser

1. Jones, Andrew Zimmerman. (2016, 17 september). Vad är en termodynamisk process? Hämtad från: thoughtco.com
2. J. Wilkes. (2014). Termodynamiska processer. . Hämtad från: kurser.washington.edu
3. Studie (9 augusti 2016). Termodynamiska processer: Isobariska, isokoriska, isotermiska och adiabatiska. Hämtad från: study.com
4. Kevin Wandrei. (2018). Vad är några dagliga exempel på termodynamikens första och andra lagar? Hearst Seattle Media, LLC. Hämtad från: education.seattlepi.com
5. Lambert. (2006). Termodynamikens andra lag. Hämtad från entropysite.oxy.edu
6. 15 termodynamik. . Hämtad från: wright.edu