ТЕРМОДИНАМІЧНІ ПРОЦЕСИ: ТИПИ ТА ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Ці термодинамічні процеси є фізичними або хімічними явищами , пов'язаними з потоком тепла (енергія) або працювати між системою та її оточенням. Говорячи про тепло, на думку раціонально приходить образ вогню, що є найвірогіднішим проявом процесу, який виділяє багато теплової енергії.

Система може бути як макроскопічною (потяг, ракета, вулкан), так і мікроскопічною (атоми, бактерії, молекули, квантові точки тощо). Це відокремлено від решти Всесвіту, щоб врахувати тепло або роботу, яка надходить або залишає його.

Однак не тільки існує тепловий потік, але і системи можуть генерувати зміни в якійсь змінній у своєму оточенні як відповідь на розглянуте явище. Відповідно до термодинамічних законів, між взаємодією та теплом повинно бути компроміс, щоб речовина та енергія завжди зберігалися.

Вищезазначене справедливо для макроскопічних та мікроскопічних систем. Різниця між першою та останньою - це змінні, які вважаються визначальними їх енергетичними станами (по суті, початковим та кінцевим).

Однак термодинамічні моделі прагнуть з'єднати обидва світи, контролюючи такі змінні, як тиск, об'єм і температура систем, зберігаючи деякі з цих констант для вивчення ефекту інших.

Першою моделлю, яка дозволяє це наближення, є ідеальні гази (PV = nRT), де n - кількість молей, яке при поділі на об'єм V дає молярний об'єм.

Потім, виражаючи зміни між оточенням системи як функцію цих змінних, можна визначити інші, такі як робота (PV = W), важлива для машин та виробничих процесів.

З іншого боку, для хімічних явищ більший інтерес представляють інші види термодинамічних змінних. Вони безпосередньо пов'язані з вивільненням або поглинанням енергії і залежать від внутрішньої природи молекул: утворення та видів зв’язків.

Системи та явища в термодинамічних процесах

У верхньому зображенні представлені три типи систем: закрита, відкрита та адіабатична.

У закритій системі немає передачі матерії між нею та оточенням, так що жодна матерія не може входити чи залишати її; однак енергія може перетнути межі коробки. Іншими словами: явище F може вивільняти або поглинати енергію, тим самим змінюючи те, що знаходиться поза коробкою.

З іншого боку, у відкритій системі горизонти системи мають свої пунктирні лінії, це означає, що і енергія, і матерія можуть надходити і проходити між нею та оточенням.

Нарешті, в ізольованій системі обмін речовини та енергії між нею та оточенням дорівнює нулю; з цієї причини на зображенні третій ящик укладений у міхур. Необхідно уточнити, що оточення може бути рештою Всесвіту, і що дослідження є тим, яке визначає, наскільки далеко слід враховувати сферу застосування системи.

Фізичні та хімічні явища

Що конкретно є явищем F? Позначене буквою F і всередині жовтого кола явище - це зміна, яка має місце і може бути фізичною модифікацією речовини або її перетворенням.

Яка різниця? Коротко: перший не розриває і не створює нових посилань, а другий.

Таким чином, термодинамічний процес можна розглядати відповідно до того, є явище фізичним чи хімічним. Однак обидва мають спільну зміну якоїсь молекулярної чи атомної властивості.

Приклади фізичних явищ

Нагрівання води в горщику викликає посилення зіткнень між її молекулами, до того моменту, коли тиск його пари дорівнює атмосферному тиску, і тоді відбувається зміна фаз з рідкої на газову. Іншими словами: вода випаровується.

Тут молекули води не порушують жодного зі своїх зв’язків, але вони зазнають енергетичних змін; або те саме, що внутрішня енергія U води модифікована.

Які термодинамічні змінні для цього випадку? Атмосферний тиск P _ex , продукт температури згоряння кулінарного газу та об'єм води.

Атмосферний тиск постійний, але температури води немає, оскільки вона нагрівається; ні об’єм, тому що його молекули розширюються в просторі. Це приклад фізичного явища в межах ізобарного процесу; тобто термодинамічна система при постійному тиску.

Що робити, якщо поставити воду з трохи квасолі в скороварку? При цьому об'єм залишається постійним (до тих пір, поки тиск не вивільниться при варінні квасолі), але змінюються тиск і температура.

Це пояснюється тим, що виділяється газ не може вийти і відскакує від стінок горщика і поверхні рідини. Тоді ми говоримо про інше фізичне явище, але в рамках ізохоричного процесу.

Приклади хімічних явищ

Було зазначено, що існують термодинамічні змінні, притаманні мікроскопічним факторам, таким як молекулярна чи атомна структура. Що це за змінні? Ентальпія (Н), ентропія (S), внутрішня енергія (U) та вільна енергія Гіббса (S).

Ці внутрішні змінні речовини визначаються і виражаються макроскопічними термодинамічними змінними (P, T і V) відповідно до обраної математичної моделі (як правило, ідеальних газів). Завдяки цьому термодинамічні дослідження можуть проводитися на хімічних явищах.

Наприклад, ви хочете вивчити хімічну реакцію типу A + B => C, але реакція відбувається лише при температурі 70 ºC. Крім того, при температурі вище 100 ºC замість того, щоб виробляти C, D.

За цих умов реактор (збірка, де відбувається реакція) повинен гарантувати постійну температуру близько 70 ºC, тому процес є ізотермічним.

Типи та приклади термодинамічних процесів

Аддіабатичні процеси

Це ті, у яких немає чистої передачі між системою та її оточенням. Це в перспективі гарантується ізольованою системою (коробка всередині міхура).

Приклади

Прикладом цього є калориметри, які визначають кількість теплоти, що виділяється або поглинається в результаті хімічної реакції (горіння, розчинення, окислення тощо).

Всередині фізичних явищ - це рух, що створюється гарячим газом за рахунок тиску, що чиняться на поршні. Так само, коли повітряний струм чинить тиск на земну поверхню, його температура збільшується в міру того, як він змушений розширюватися.

З іншого боку, якщо інша поверхня є газоподібною і має меншу щільність, її температура буде знижуватися, коли вона відчує більш високий тиск, змушуючи її частинки конденсуватися.

Адіабатичні процеси ідеально підходять для багатьох промислових процесів, де менші втрати тепла означають нижчу продуктивність, що відображається на витратах. Щоб вважати це таким, потік тепла повинен бути нульовим або кількість теплоти, що надходить у систему, повинна бути рівною тій, що надходить у систему.

Ізотермічні процеси

Ізотермічні процеси - це всі ті, в яких температура системи залишається постійною. Це робиться, роблячи роботу, так що інші змінні (P і V) змінюються з часом.

Приклади

Прикладів цього типу термодинамічного процесу незліченно. По суті, велика частина клітинної активності відбувається при постійній температурі (обмін іонами та водою через клітинні мембрани). У межах хімічних реакцій всі ті, що встановлюють теплову рівновагу, вважаються ізотермічними процесами.

Людському метаболізму вдається підтримувати постійну температуру тіла (приблизно 37ºC) завдяки широкій серії хімічних реакцій. Це досягається завдяки енергії, отриманій від їжі.

Фазові зміни - це також ізотермічні процеси. Наприклад, коли рідина замерзає, вона виділяє тепло, не даючи температурі продовжувати знижуватися, поки вона повністю не перебуває у твердій фазі. Як тільки це станеться, температура може продовжувати знижуватися, оскільки тверда речовина більше не виділяє енергію.

У тих системах, які включають ідеальні гази, зміна внутрішньої енергії U дорівнює нулю, тому все тепло використовується для роботи.

Ізобаричні процеси

У цих процесах тиск у системі залишається постійним, змінюючи його об'єм і температуру. Загалом вони можуть виникати в системах, відкритих для атмосфери, або в закритих системах, межі яких можуть бути деформовані збільшенням об’єму таким чином, щоб протидіяти підвищенню тиску.

Приклади

У циліндрах всередині двигунів при нагріванні газу він штовхає поршень, що змінює об'єм системи.

Якби цього не було, тиск збільшувався б, оскільки система не має можливості зменшити зіткнення газоподібних видів на стінках циліндрів.

Ізохорні процеси

В ізохоричних процесах об'єм залишається постійним. Його також можна розглядати як ті, в яких система не створює жодної роботи (W = 0).

В основному, це фізичні чи хімічні явища, які вивчаються всередині будь-якої ємності, будь то з ажітацією чи ні.

Приклади

Прикладами цих процесів є приготування їжі, приготування кави, охолодження пляшки з морозивом, кристалізація цукру, розчинення погано розчинного осаду, іонообмінна хроматографія, серед іншого.

Список літератури

1. Джонс, Ендрю Цимерман. (2016 р., 17 вересня). Що таке термодинамічний процес? Взято з: thinkco.com
2. Дж. Вілкс. (2014). Термодинамічні процеси. . Взято з :urs.washington.edu
3. Дослідження (9 серпня 2016 р.). Термодинамічні процеси: ізобаричні, ізохорні, ізотермічні та аддіабатичні. Взято з: study.com
4. Кевін Вандрей. (2018). Які є щоденні приклади першого та другого законів термодинаміки? Hearst Seattle Media, LLC. Взято з: education.seattlepi.com
5. Ламберт. (2006). Другий закон термодинаміки. Взято з: entropysite.oxy.edu
6. 15 Термодинаміка. . Взято з: wright.edu