Termodynamiske prosesser: Typer og eksempler

Termodynamiske prosesser er fysiske eller kjemiske fenomener som involverer en strøm av varme (energi) eller arbeid mellom et system og dets omgivelser. Når man taler om varme, kommer det rasjonelt til å tenke på bildet av brann, noe som er manifestasjonen par excellence av en prosess som frigjør mye termisk energi.

Systemet kan være både makroskopisk (et tog, en rakett, en vulkan) og mikroskopisk (atomer, bakterier, molekyler, kvantepotter, etc.). Dette er skilt fra resten av universet for å vurdere varmen eller arbeidet som går inn i eller forlater det.

Imidlertid eksisterer ikke bare varmestrømmen, men systemene kan også generere endringer i noen variabler i deres miljø som svar på fenomenet som vurderes. Ifølge termodynamiske lover må det være en kompensasjon mellom respons og varme, slik at materie og energi alltid er bevart.

Ovennevnte gjelder for makroskopiske og mikroskopiske systemer. Forskjellen mellom det første og det siste er variablene som regnes for å definere energitilstandene (i utgangspunktet den første og den endelige).

Termodynamiske modeller forsøker imidlertid å koble begge verdener ved å kontrollere variabler som trykk, volum og temperatur på systemene, og holde noen av disse konstantene i stand til å studere effekten av de andre.

Den første modellen som tillater denne tilnærmingen, er den for de ideelle gassene (PV = nRT), hvor n er antall mol, som når man deler mellom volumet V, oppnås det molære volumet.

Deretter uttrykker endringene mellom system-rundt avhengig av disse variablene, andre kan defineres som arbeid (PV = W), uunnværlig for maskiner og industrielle prosesser.

På den annen side er en annen type termodynamisk variabel av større interesse for kjemiske fenomener. Disse er direkte relatert til frigjøring eller absorpsjon av energi, og avhenger av selve innholdet av molekylene: dannelsen og typen av bindinger.

Systemer og fenomener i termodynamiske prosesser

I det øvre bildet er de tre typene system representert: lukket, åpent og adiabatisk.

I det lukkede systemet er det ingen overføring av saken mellom den og dens omgivelser, slik at det uansett kan komme inn eller ut Energien kan imidlertid krysse boksenes grenser. Med andre ord: F-fenomenet kan frigjøre eller absorbere energi, og dermed endre hva som ligger utenfor boksen.

På den annen side, i det åpne systemet har horisonter av systemet sine prikkede linjer, noe som betyr at både energi og materie kan komme og gå mellom dette og omgivelsene.

Til slutt, i et isolert system er utvekslingen av materie og energi mellom den og omgivelsene null; Av denne grunn, i bildet er den tredje boksen vedlagt i en boble. Det er nødvendig å avklare at omgivelsene kan være resten av universet, og at studien er den som definerer hvor langt å vurdere systemets omfang.

Fysiske og kjemiske fenomener

Hva er spesielt fenomenet F? Angitt ved bokstaven F og i en gul sirkel, er fenomenet en forandring som finner sted og kan være den fysiske modifikasjonen av materie, eller dens transformasjon.

Hva er forskjellen? Sukkent: i det første er det ingen brudd eller opprettelsen av nye lenker, mens i den andre.

Således kan en termodynamisk prosess vurderes etter om fenomenet er fysisk eller kjemisk. Imidlertid har begge felles en endring i noen molekylær eller atomegenskaper.

Eksempler på fysiske fenomener

Varmevann i en pott medfører økning i kollisjoner mellom molekylene, til det punkt der trykket i dampen er lik atmosfæretrykk, og så skjer faseovergangen fra væske til gass. Med andre ord: vann fordampes.

Her bryter vannmolekylene ikke noen av sine bindinger, men de gjennomgår energiendringer; eller hva er det samme, er den indre energien U av vannet modifisert.

Hva er de termodynamiske variablene for denne saken? Det atmosfæriske trykket P _ex, temperaturen som produseres ved forbrenning av kokegass og volumet av vann.

Det atmosfæriske trykket er konstant, men vannet på vannet er ikke, siden det er oppvarmet; eller volumet, fordi dets molekyler ekspanderer i rommet. Dette er et eksempel på et fysisk fenomen i en isobarisk prosess; det vil si et termodynamisk system ved konstant trykk.

Hva om du legger vannet med noen bønner inne i en trykkkom? I dette tilfellet forblir volumet konstant (så lenge trykket ikke slippes når kornene er tilberedt), men trykket og temperaturen endres.

Dette skyldes at den produserte gassen ikke kan unnslippe og dreie seg på potens vegger og overflaten av væsken. Da snakker vi om et annet fysisk fenomen, men innenfor en isokorisk prosess.

Eksempler på kjemiske fenomener

Det ble nevnt at det er termodynamiske variabler knyttet til mikroskopiske faktorer, som molekylær eller atomstruktur. Hva er disse variablene? Entalpien (H), entropien (S), den indre energien (U) og den frie energien til Gibbs (S).

Disse inneboende variablene av materie er definert og uttrykt i forhold til de makroskopiske termodynamiske variablene (P, T og V), i henhold til den valgte matematiske modellen (generelt den ideelle gassmodellen). Takket være dette kan termodynamiske studier gjøres til kjemiske fenomener.

For eksempel ønsker vi å studere en kjemisk reaksjon av type A + B => C, men reaksjonen skjer bare ved en temperatur på 70 ° C. I tillegg genereres ved temperaturer over 100 ° C i stedet for å produsere C, D.

Under disse forholdene skal reaktoren (samlingen der reaksjonen utføres) sikre en konstant temperatur rundt 70 ° C, så prosessen er isotermisk.

Typer og eksempler på termodynamiske prosesser

Adiabatic prosesser

De er de som ikke har nettoverføring mellom systemet og omgivelsene. Dette på lang sikt er garantert av et isolert system (esken inne i boblen).

eksempler

Et eksempel på dette er kalorimetrene som bestemmer mengden varme som frigjøres eller absorberes fra en kjemisk reaksjon (forbrenning, oppløsning, oksidasjon, etc.).

Innenfor de fysiske fenomenene er bevegelsen som genererer den varme gassen på grunn av trykket som utøves på stemplene. Også når en strøm av luftpresser på en jordoverflate øker temperaturen ettersom den er tvunget til å utvides.

På den annen side, hvis den andre overflaten er gassformig og har lavere tetthet, vil temperaturen senkes når den føles et høyere trykk, og tvinger partiklene til å kondensere.

De adiabatiske prosessene er ideelle for mange industrielle prosesser, der det lavere varmetapet medfører lavere ytelse som reflekteres i kostnadene. For å betrakte det som sådan, må varmestrømmen være null eller mengden varme som kommer inn må være lik den som kommer inn i systemet.

Isotermiske prosesser

De isotermiske prosessene er alle de der temperaturen i systemet forblir konstant. Dette gjøres ved å gjøre arbeid, slik at de andre variablene (P og V) varierer med tiden.

eksempler

Eksempler på denne typen termodynamiske prosess er utallige. I hovedsak skjer mye cellulær aktivitet ved konstant temperatur (utveksling av ioner og vann gjennom cellemembraner). Innen kjemiske reaksjoner regnes alle de som oppretter termiske likevekt som isotermiske prosesser.

Human metabolisme klarer å opprettholde konstant kroppstemperatur (ca. 37 ° C) gjennom et bredt spekter av kjemiske reaksjoner. Dette oppnås takket være energien som er oppnådd fra mat.

Faseendringer er også isotermiske prosesser. For eksempel, når en væske fryse, frigjør det varme, slik at temperaturen ikke faller til den er helt i fast fase. Når dette skjer, kan temperaturen fortsette å redusere, fordi det faste stoffet ikke lenger frigjør energi.

I de systemene som involverer ideelle gasser, er forandringen av den indre energien U null, så all varmen brukes til å utføre arbeid.

Isobariske prosesser

I disse prosessene forblir trykket i systemet konstant, varierende volum og temperatur. Generelt kan de forekomme i systemer som er åpne for atmosfæren, eller i lukkede systemer hvis grenser kan deformeres av volumøkningen, på en måte som motvirker økt trykk.

eksempler

I sylinderne inne i motoren, når gassen oppvarmes, skyver den stempelet, som endrer systemets volum.

Hvis dette ikke var tilfellet, ville trykket øke, siden systemet ikke har mulighet til å redusere kollisjonene av gassformige arter på sylinderens vegger.

Isokoriske prosesser

I de isokoriske prosessene forblir volumet konstant. Det kan også betraktes som de der systemet ikke genererer noe arbeid (W = 0).

I utgangspunktet er de fysiske eller kjemiske fenomener som studeres i en hvilken som helst beholder, med eller uten agitasjon.

eksempler

Eksempler på disse prosessene er matlaging av mat, tilberedning av kaffe, avkjøling av en flaske iskrem, krystallisering av sukker, oppløsning av et dårlig oppløselig bunnfall, en ionebytekromatografi, blant andre.