Termodynaamiset prosessityypit ja esimerkit



termodynaamiset prosessit ne ovat fyysisiä tai kemiallisia ilmiöitä, joihin liittyy lämmön (energian) virtaus tai työ järjestelmän ja sen ympäristön välillä. Kun puhutaan lämmöstä, tulee järkevästi mieleen tulipalo, joka on osoitus prosessista, joka vapauttaa paljon lämpöenergiaa.

Järjestelmä voi olla sekä makroskooppinen (juna, raketti, tulivuori) että mikroskooppinen (atomit, bakteerit, molekyylit, kvanttipisteet jne.). Tämä on erotettu muusta maailmankaikkeudesta harkitsemaan lämpöä tai työtä, joka tulee tähän tai poistumaan tästä.

Lämpövirtaus ei kuitenkaan ole olemassa, vaan järjestelmät voivat myös aikaansaada muutoksia ympäristöönsä jossakin muuttujassa vastauksena tarkasteltavaan ilmiöön. Termodynaamisten lakien mukaan vasteen ja lämmön välillä on oltava korvaus, jotta aine ja energia säilyvät aina.

Edellä mainittu koskee makroskooppisia ja mikroskooppisia järjestelmiä. Ensimmäisen ja viimeisen eron välillä ovat muuttujat, joiden katsotaan määrittelevän niiden energian tilat (pohjimmiltaan alkuperäiset ja lopulliset).

Termodynaamisilla malleilla pyritään kuitenkin yhdistämään molemmat maailmat kontrolloimalla muuttujia, kuten paineita, tilavuutta ja lämpötilaa järjestelmissä, pitämällä jotkin näistä vakioista tutkimaan muiden vaikutuksia.

Ensimmäinen malli, joka sallii tämän likiarvon, on ideaalikaasujen (PV = nRT), jossa n on moolien lukumäärä, että kun jakautuu tilavuuden V välillä, saadaan moolitilavuus.

Tämän jälkeen ilmaisemalla muutokset järjestelmän ympärillä riippuen näistä muuttujista, toiset voidaan määritellä työksi (PV = W), joka on välttämätön koneille ja teollisille prosesseille.

Toisaalta toisen tyyppinen termodynaaminen muuttuja on kiinnostavampi kemiallisia ilmiöitä kohtaan. Nämä liittyvät suoraan energian vapautumiseen tai imeytymiseen ja riippuvat molekyylien luonteesta: linkkien muodostumisesta ja tyypeistä.

indeksi

  • 1 Järjestelmät ja ilmiöt termodynaamisissa prosesseissa
    • 1.1 Fysikaaliset ja kemialliset ilmiöt
    • 1.2 Esimerkkejä fyysisistä ilmiöistä
    • 1.3 Esimerkkejä kemiallisista ilmiöistä
  • 2 Tyypit ja esimerkit termodynaamisista prosesseista
    • 2.1 Adiabaattiset prosessit
    • 2.2 Isotermiset prosessit
    • 2.3 Isobariset prosessit
    • 2.4 Isokoriset prosessit
  • 3 Viitteet

Järjestelmät ja ilmiöt termodynaamisissa prosesseissa

Yllä olevassa kuvassa on esitetty kolmen tyyppiset järjestelmät: suljettu, avoin ja adiabaattinen.

Suljetussa järjestelmässä ainetta ei siirretä sen ja sen ympäristön välillä, niin ettei mikään asia pääse sisään tai ulos; energia voi kuitenkin ylittää laatikon rajat. Toisin sanoen: F-ilmiö voi vapauttaa tai absorboida energiaa ja siten muuttaa laatikon ulkopuolella olevaa.

Toisaalta avoimessa järjestelmässä järjestelmän horisontit ovat katkoviivoja, mikä tarkoittaa, että sekä energia että materiaali voivat tulla ja mennä tämän ja ympäristön välillä.

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

Fysikaaliset ja kemialliset ilmiöt

Mikä on nimenomaan ilmiö F? Ilmaisu F-kirjaimella ja keltaisen ympyrän sisällä on ilmiö, joka tapahtuu ja voi olla aineen fysikaalinen muokkaus tai sen muunnos.

Mikä ero on? Ytimekkäästi: ensimmäinen ei riko tai luo uusia linkkejä, kun taas toinen tekee.

Täten voidaan harkita termodynaamista prosessia sen mukaan, onko ilmiö fyysinen tai kemiallinen. Molemmilla on kuitenkin yhteinen muutos joissakin molekyyli- tai atomiominaisuuksissa.

Esimerkkejä fyysisistä ilmiöistä

Lämmitysvesi potissa aiheuttaa sen molekyylien välisten törmäysten kasvun siihen pisteeseen, jossa sen höyryn paine vastaa ilmakehän painetta, ja sitten vaiheen muutos nestemäisestä kaasuun tapahtuu. Toisin sanoen: vesi haihtuu.

Täällä vesimolekyylit eivät rikkoa mitään niiden sidoksia, mutta ne käyvät läpi energiamuutoksia; tai mikä on sama, veden sisäistä energiaa U muutetaan.

Mitkä ovat tässä tapauksessa termodynaamiset muuttujat? Ilmakehän paine Pentinen, lämpötila, joka syntyy keittokaasun poltosta ja veden tilavuudesta.

Ilmakehän paine on vakio, mutta veden lämpötila ei ole, koska sitä lämmitetään; eikä tilavuus, koska sen molekyylit laajenevat avaruuteen. Tämä on esimerkki fyysisestä ilmiöstä isobarisen prosessin sisällä; eli termodynaaminen järjestelmä vakiopaineella.

Entä jos laitat veden joidenkin papujen sisälle painekattilassa? Tällöin äänenvoimakkuus pysyy vakiona (niin kauan kuin paine ei vapautu rakeiden valmistuksessa), mutta paineen ja lämpötilan muutos.

Tämä johtuu siitä, että tuotettu kaasu ei voi paeta ja pyörii potin seinämiin ja nesteen pintaan. Puhumme toisesta fyysisestä ilmiöstä, mutta isokorisesta prosessista.

Esimerkkejä kemiallisista ilmiöistä

Mainittiin, että mikroskooppisiin tekijöihin, kuten molekyyli- tai atomirakenteeseen, liittyy termodynaamisia muuttujia. Mitkä ovat nämä muuttujat? Gibbsin (S) entalpia (H), entropia (S), sisäinen energia (U) ja vapaa energia.

Nämä aineen sisäiset muuttujat määritellään ja ilmaistaan ​​makroskooppisilla termodynaamisilla muuttujilla (P, T ja V) valitun matemaattisen mallin mukaan (yleensä ihanteellinen kaasumalli). Tämän ansiosta kemiallisiin ilmiöihin voidaan tehdä termodynaamisia tutkimuksia.

Haluamme esimerkiksi tutkia tyypin A + B => C kemiallista reaktiota, mutta reaktio tapahtuu vain 70 ° C: n lämpötilassa. Lisäksi lämpötiloissa, jotka ovat yli 100 ° C, syntyy C: n tuottamisen sijaan D.

Näissä olosuhteissa reaktorin (kokoonpano, jossa reaktio suoritetaan) on taattava vakiolämpötila noin 70 ° C: ssa, joten prosessi on isoterminen.

Tyypit ja esimerkit termodynaamisista prosesseista

Adiabaattiset prosessit

Ne ovat ne, joissa ei ole verkonsiirtoa järjestelmän ja sen ympäristön välillä. Tämä pitkällä aikavälillä on taattu erillisellä järjestelmällä (kuplan sisällä).

esimerkit

Esimerkkinä tästä ovat kalorimetrit, jotka määrittävät kemiallisesta reaktiosta vapautuneen tai absorboituneen lämmön määrän (palaminen, liukeneminen, hapetus jne.).

Fyysisten ilmiöiden sisällä on liike, joka tuottaa kuumaa kaasua mäntien aiheuttaman paineen vuoksi. Samoin, kun ilmapuristin virtaa maanpäälliselle pinnalle, sen lämpötila nousee, koska se pakotetaan laajentumaan.

Toisaalta, jos toinen pinta on kaasumaista ja sen tiheys on alhaisempi, sen lämpötila laskee, kun se tuntuu korkeammalta paineelta, pakottaen sen hiukkaset kondensoitumaan.

Adiabaattiset prosessit ovat ihanteellisia monille teollisuusprosesseille, joissa alhaisempi lämpöhäviö merkitsee alhaisempaa suorituskykyä, joka näkyy kustannuksissa. Lämpövirtauksen on oltava sellainen, että sen on oltava nolla tai sisään tulevan lämmön määrän on oltava sama kuin järjestelmään tuleva määrä..

Isotermiset prosessit

Isotermiset prosessit ovat kaikki niitä, joissa järjestelmän lämpötila pysyy vakiona. Tämä tapahtuu tekemällä työtä siten, että muut muuttujat (P ja V) vaihtelevat ajan mukaan.

esimerkit

Esimerkkejä tällaisesta termodynaamisesta prosessista ovat lukemattomat. Pohjimmiltaan paljon solujen aktiivisuutta tapahtuu vakiolämpötilassa (ionien ja veden vaihto solukalvojen läpi). Kemiallisten reaktioiden puitteissa kaikki ne, jotka luovat lämpö- tasapainon, katsotaan isotermisiksi prosesseiksi.

Ihmisen aineenvaihdunta onnistuu säilyttämään vakion ruumiinlämpötilan (noin 37 ° C) monenlaisten kemiallisten reaktioiden kautta. Tämä saavutetaan ruoasta saatavan energian ansiosta.

Vaihemuutokset ovat myös isotermisiä prosesseja. Esimerkiksi, kun neste jäätyy, se vapauttaa lämpöä, jolloin lämpötila ei laskene, 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 U muutos on nolla, joten kaikki lämpö käytetään työn suorittamiseen.

Isobariset prosessit

Näissä prosesseissa paine järjestelmässä säilyy vakiona ja vaihtelee sen tilavuutta ja lämpötilaa. Yleensä ne voivat esiintyä ilmakehään avautuvissa järjestelmissä tai suljetuissa järjestelmissä, joiden raja-arvot voivat muuttua tilavuuden lisääntymisen avulla paineen nousun torjumiseksi..

esimerkit

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

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

Isokoriset prosessit

Isokorisissa prosesseissa tilavuus pysyy vakiona. Voidaan myös pitää niitä, joissa järjestelmä ei tuota työtä (W = 0).

Periaatteessa ne ovat fyysisiä tai kemiallisia ilmiöitä, joita tutkitaan minkä tahansa säiliön sisällä, olipa se sitten agitaatio vai ei.

esimerkit

Esimerkkejä näistä prosesseista ovat ruoan ruoanlaitto, kahvin valmistus, jäätelön pullon jäähdytys, sokerin kiteytyminen, vähän liukoisen sakan liukeneminen, ioninvaihtokromatografia, muun muassa..

viittaukset

  1. Jones, Andrew Zimmerman. (17. syyskuuta 2016). Mikä on termodynaaminen prosessi? Otettu: thinkco.com
  2. J. Wilkes. (2014). Termodynaamiset prosessit. [PDF]. Otettu: courses.washington.edu
  3. Tutkimus (9. elokuuta 2016). Thermodynamic Processes: Isobaric, Isochoric, Isothermal & Adiabatic. Otettu: study.com
  4. Kevin Wandrei (2018). Mitkä ovat jokapäiväisiä esimerkkejä termodynamiikan ensimmäisestä ja toisesta laista? Hearst Seattle Media, LLC. Otettu: education.seattlepi.com
  5. Lambert. (2006). Toinen termodynamiikan laki. Otettu: entropysite.oxy.edu
  6. 15 Termodynamiikka. [PDF]. Otettu: wright.edu