TERMODYNAAMISET PROSESSIT: TYYPIT JA ESIMERKIT - KEMIA - 2025

Termodynaamiset ovat fyysisiä tai kemiallisia ilmiöitä, joihin lämpövirta (energia) tai työn välillä järjestelmän ja sen ympäristössä. Kun puhutaan kuumuudesta, tulee palon kuva mielessä järkevästi, mikä on prosessin olennainen ilmentymä, joka vapauttaa paljon lämpöenergiaa.

Järjestelmä voi olla sekä makroskooppinen (juna, raketti, tulivuori) että mikroskooppinen (atomit, bakteerit, molekyylit, kvanttipisteet jne.). Tämä on erotettu muusta maailmankaikkeudesta siltä lähtevän tai sieltä lähtevän lämmön tai työn huomioon ottamiseksi.

Lämpövirta ei kuitenkaan ole vain olemassa, vaan järjestelmät voivat myös tuottaa muutoksia ympäristössä oleviin muuttujiin vastauksena tarkasteltavaan ilmiöön. Termodynaamisten lakien mukaan vasteen ja lämmön välillä on oltava kompromissi, jotta aine ja energia säilyvät aina.

Edellä oleva pätee makroskooppisiin ja mikroskooppisiin järjestelmiin. Ero ensimmäisen ja viimeisen välillä ovat muuttujia, joiden katsotaan määrittelevän niiden energiatilat (pohjimmiltaan alkuperäinen ja viimeinen).

Termodynaamisilla malleilla pyritään kuitenkin yhdistämään molemmat maailmat kontrolloimalla muuttujia, kuten järjestelmien paine, tilavuus ja lämpötila, pitämällä joitain näistä vakioista tutkimaan muiden vaikutuksia.

Ensimmäinen malli, joka sallii tämän lähentämisen, on ideaalikaasujen (PV = nRT) malli, jossa n on moolien lukumäärä, joka jaettuna tilavuudella V antaa molaarisen tilavuuden.

Sitten, ilmaisemalla järjestelmäympäristön väliset muutokset näiden muuttujien funktiona, voidaan määritellä muita, kuten työ (PV = W), joka on välttämätöntä koneille ja teollisille prosesseille.

Toisaalta kemiallisten ilmiöiden suhteen muun tyyppiset termodynaamiset muuttujat ovat kiinnostavampia. Ne liittyvät suoraan energian vapautumiseen tai imeytymiseen ja riippuvat molekyylien luontaisesta luonteesta: sidosten muodostumisesta ja tyypeistä.

Termodynaamisten prosessien järjestelmät ja ilmiöt

Yläkuvassa esitetään kolmen tyyppiset järjestelmät: suljettu, avoin ja adiabaattinen.

Suljetussa järjestelmässä ei ole aineensiirtoa sen ja sen ympäristön välillä, joten mikään asia ei päästä sisään tai poistumaan; energia voi kuitenkin ylittää laatikon rajat. Toisin sanoen: ilmiö F voi vapauttaa tai absorboida energiaa, muuttaen siten laatikon ulkopuolella olevaa.

Toisaalta avoimessa järjestelmässä järjestelmän horisonteilla on katkoviivat, mikä tarkoittaa, että sekä energia että aine voivat tulla ja mennä sen ja ympäristön välillä.

Lopuksi, eristetyssä järjestelmässä aineen ja energian vaihto sen ja ympäristön välillä on nolla; tästä syystä kuvassa kolmas laatikko on suljettu kuplaan. On tarpeen selventää, että ympäristö voi olla muu maailmankaikkeus ja että tutkimus määrittelee kuinka pitkälle järjestelmän laajuutta on tarkasteltava.

Fysikaaliset ja kemialliset ilmiöt

Mikä on ilmiö F? F-kirjaimella ilmaistuna ja keltaisessa ympyrässä ilmiö on tapahtuva muutos, joka voi olla aineen fysikaalinen muuntaminen tai sen muutos.

Mikä on ero? Lyhyesti: ensimmäinen ei katkaise tai luo uusia linkkejä, kun taas toinen ei.

Termodynaamista prosessia voidaan siis harkita sen perusteella, onko ilmiö fysikaalinen vai kemiallinen. Molemmilla on kuitenkin yhteinen muutos jollakin molekyylisellä tai atomisella ominaisuudella.

Esimerkkejä fyysisistä ilmiöistä

Lämmitämällä vettä potissa lisääntyy törmäyksiä sen molekyylien välillä pisteeseen, jossa sen höyryn paine on yhtä suuri kuin ilmanpaine, ja sitten tapahtuu vaihemuutos nesteestä kaasuksi. Toisin sanoen: vesi haihtuu.

Tässä vesimolekyylit eivät riko mitään sidostaan, mutta niissä tapahtuu energisiä muutoksia; tai mikä on sama, veden sisäistä energiaa U muutetaan.

Mitkä ovat termodynaamiset muuttujat tässä tapauksessa? Ilmakehän paine P _ex, keittokaasun palamislämpötilan tuote ja veden tilavuus.

Ilmanpaine on vakio, mutta veden lämpötila ei ole, koska se kuumenee; eikä tilavuutta, koska sen molekyylit laajenevat avaruudessa. Tämä on esimerkki fyysistä ilmiötä isobarisessa prosessissa; ts. termodynaaminen järjestelmä vakiopaineessa.

Entä jos laitat veden joillakin papuilla painekattilaan? Tässä tapauksessa tilavuus pysyy vakiona (kunhan paine ei vapaudu papujen keittämisen yhteydessä), mutta paine ja lämpötila muuttuvat.

Tämä johtuu siitä, että tuotettu kaasu ei pääse ulos ja pomppii pois astian seinämistä ja nesteen pinnasta. Puhumme sitten toisesta fyysisestä ilmiöstä, mutta isokorisessa prosessissa.

Esimerkkejä kemiallisista ilmiöistä

Mainittiin, että on olemassa termodynaamisia muuttujia, jotka ovat ominaisia ​​mikroskooppisille tekijöille, kuten molekyyli- tai atomirakenne. Mitä nämä muuttujat ovat? Entalpia (H), entropia (S), sisäinen energia (U) ja Gibbs-vapaa energia (S).

Nämä aineen sisäiset muuttujat määritetään ja ilmaistaan ​​makroskooppisilla termodynaamisilla muuttujilla (P, T ja V) valitun matemaattisen mallin (yleensä ideaalikaasujen) mukaisesti. Tämän ansiosta termodynaamiset tutkimukset voidaan suorittaa kemiallisille ilmiöille.

Haluat esimerkiksi tutkia tyypin A + B => C kemiallista reaktiota, mutta reaktio tapahtuu vain lämpötilassa 70 ºC. Lisäksi yli 100 ºC: n lämpötiloissa tuotettavan C sijasta D.

Näissä olosuhteissa reaktorin (kokoonpano, jossa reaktio tapahtuu) on taattava vakio lämpötila noin 70 ºC, joten prosessi on isoterminen.

Termodynaamisten prosessien tyypit ja esimerkit

Adiabaattiset prosessit

Ne ovat niitä, joissa järjestelmän ja sen ympäristön välillä ei ole nettosiirtoa. Tämän takaa pitkällä tähtäimellä eristetty järjestelmä (kuplan sisällä oleva laatikko).

esimerkit

Esimerkki tästä on kalorimetrit, jotka määrittävät kemiallisesta reaktiosta (palaminen, liukeneminen, hapettuminen jne.) Vapautuneen tai absorboituneen lämmön määrän.

Fysikaalisten ilmiöiden sisällä on kuumien kaasujen aiheuttama liike mäntiin kohdistuvan paineen takia. Samoin, kun ilmavirta kohdistaa painetta maanpäälliseen pintaan, sen lämpötila nousee, kun se pakotetaan laajentumaan.

Toisaalta, jos toinen pinta on kaasumainen ja sen tiheys on pienempi, sen lämpötila laskee, kun se tuntuu suuremmasta paineesta, pakottaen hiukkaset tiivistymään.

Adiabaattiset prosessit ovat ihanteellisia monille teollisille prosesseille, joissa pienempi lämpöhäviö tarkoittaa alhaisempaa suorituskykyä, mikä heijastuu kustannuksissa. Jotta sitä voidaan pitää sellaisenaan, lämpövirtauksen on oltava nolla tai järjestelmään tulevan lämmön määrän on oltava yhtä suuri kuin järjestelmään tulevan lämmön määrä.

Isotermiset prosessit

Isotermiset prosessit ovat kaikkia niitä, joissa järjestelmän lämpötila pysyy vakiona. Se tekee tämän tekemällä työtä, niin että muut muuttujat (P ja V) vaihtelevat ajan myötä.

esimerkit

Esimerkkejä tämän tyyppisestä termodynaamisesta prosessista on lukematon. Pohjimmiltaan suuri osa soluaktiivisuudesta tapahtuu vakiona lämpötilassa (ionien ja veden vaihto solumembraanien yli). Kemiallisissa reaktioissa kaikkia niitä, jotka aikaansaavat lämpötasapainon, pidetään isotermisinä prosesseina.

Ihmisen aineenvaihdunta onnistuu pitämään kehon lämpötilan vakiona (noin 37ºC) laajojen kemiallisten reaktioiden avulla. Tämä saavutetaan ruoasta saadun energian ansiosta.

Vaihemuutokset ovat myös isotermisiä prosesseja. Esimerkiksi, kun neste jäätyy, se vapauttaa lämpöä, estäen lämpötilan jatkuvan laskemisen, kunnes se on täysin kiinteässä faasissa. Kun tämä tapahtuu, lämpötila voi laskea edelleen, koska kiinteä aine ei enää vapauta energiaa.

Niissä järjestelmissä, joissa käytetään ihanteellisia kaasuja, sisäisen energian muutos U on nolla, joten kaikki lämpö käytetään työn tekemiseen.

Isobaariset prosessit

Näissä prosesseissa paine järjestelmässä pysyy vakiona, vaihdellen sen tilavuutta ja lämpötilaa. Yleensä niitä voi esiintyä ilmakehälle avoimissa järjestelmissä tai suljetuissa järjestelmissä, joiden rajoja voi muuttaa muodonmuutos lisäämällä tavalla, joka on vastapaine paineen nousulle.

esimerkit

Moottorien sisällä olevissa sylintereissä, kun kaasua lämmitetään, se työntää mäntää, mikä muuttaa järjestelmän tilavuutta.

Jos näin ei ole, paine kasvaa, koska järjestelmällä ei ole mitään keinoa vähentää kaasumaisten lajien törmäyksiä sylinterin seiniin.

Isohoriset prosessit

Isokorisissa prosesseissa tilavuus pysyy vakiona. Sitä voidaan pitää myös sellaisina, joissa järjestelmä ei tuota mitään työtä (W = 0).

Periaatteessa ne ovat fysikaalisia tai kemiallisia ilmiöitä, joita tutkitaan minkä tahansa säiliön sisällä, sekoittaen vai ei.

esimerkit

Esimerkkejä näistä prosesseista ovat muun muassa ruoan keittäminen, kahvin valmistus, jäätelöpullon jäähdyttäminen, sokerin kiteyttäminen, heikosti liukenevan sakan liuottaminen, ioninvaihtokromatografia.

Viitteet

1. Jones, Andrew Zimmerman. (2016, 17. syyskuuta). Mikä on termodynaaminen prosessi? Kuvannut: thinkco.com
2. J. Wilkes. (2014). Termodynaamiset prosessit.. Ostettu: kurssit.pesu.edu
3. Tutkimus (9. elokuuta 2016). Termodynaamiset prosessit: isobaariset, isokoriset, isotermiset ja adiabaattiset. Otettu: study.com
4. Kevin Wandrei. (2018). Mitä on arjen esimerkkejä termodynamiikan ensimmäisestä ja toisesta laista? Hearst Seattle Media, LLC. Ostettu: Education.seattlepi.com
5. Lambert. (2006). Termodynamiikan toinen laki. Otettu: entropysite.oxy.edu
6. 15 Termodynamiikka.. Ostettu: wright.edu