Типы и примеры термодинамических процессов

термодинамические процессы это физические или химические явления, которые включают поток тепла (энергии) или работу между системой и ее окружением. Говоря о тепле, рационально приходит на ум образ огня, который является явным проявлением процесса, который выделяет много тепловой энергии..

Система может быть как макроскопической (поезд, ракета, вулкан), так и микроскопической (атомы, бактерии, молекулы, квантовые точки и т. Д.). Это отделено от остальной части вселенной, чтобы рассмотреть тепло или работу, которая входит или покидает это.

Однако существует не только тепловой поток, но системы также могут генерировать изменения в некоторой переменной их среды в ответ на рассматриваемое явление. Согласно термодинамическим законам, между реакцией и теплом должна быть компенсация, чтобы вещество и энергия всегда сохранялись..

Сказанное справедливо для макроскопических и микроскопических систем. Разница между первым и последним - это переменные, которые, как считается, определяют их энергетические состояния (по сути, начальный и конечный).

Тем не менее, термодинамические модели стремятся соединить оба мира, контролируя такие переменные, как давление, объем и температуру систем, сохраняя некоторые из этих констант для изучения влияния других..

Первая модель, которая допускает это приближение, это модель идеальных газов (PV = nRT), где n - число молей, что при делении между объемом V получается молярный объем..

Затем, выражая изменения между системным окружением в зависимости от этих переменных, другие могут быть определены как работа (PV = W), необходимая для машин и производственных процессов..

С другой стороны, другой тип термодинамической переменной представляет больший интерес для химических явлений. Они напрямую связаны с выделением или поглощением энергии и зависят от внутренней природы молекул: образования и типов связей..

индекс

• 1 Системы и явления в термодинамических процессах
  • 1.1 Физико-химические явления
  • 1.2 Примеры физических явлений
  • 1.3 Примеры химических явлений
• 2 Типы и примеры термодинамических процессов
  • 2.1 Адиабатические процессы
  • 2.2 Изотермические процессы
  • 2.3 Изобарические процессы
  • 2.4 Изохорные процессы
• 3 Ссылки

Системы и явления в термодинамических процессах

На изображении выше представлены три типа систем: закрытые, открытые и адиабатические..

В замкнутой системе нет переноса вещества между ним и его окружением, так что материя не может ни войти, ни выйти; однако энергия может пересекать границы коробки. Другими словами: феномен F может выделять или поглощать энергию, изменяя тем самым то, что находится за пределами коробки..

С другой стороны, в открытой системе горизонты системы имеют свои пунктирные линии, что означает, что и энергия, и материя могут приходить и уходить между этим и окружающим миром..

Наконец, в изолированной системе обмен веществом и энергией между ней и окружающей средой равен нулю; по этой причине на изображении третье поле заключено в пузырь. Необходимо уточнить, что окружение может быть остальной частью вселенной, и что исследование - это то, что определяет, насколько далеко следует рассмотреть область действия системы..

Физико-химические явления

В чем конкретно явление F? Обозначается буквой F и внутри желтого круга, явление - это изменение, которое имеет место и может быть физической модификацией материи или ее трансформацией..

Какая разница? Вкратце: первое не разрывает и не создает новые ссылки, а второе делает.

Таким образом, термодинамический процесс может рассматриваться в зависимости от того, является ли это явление физическим или химическим. Тем не менее, оба имеют общее изменение в некоторых молекулярных или атомных свойствах.

Примеры физических явлений

Нагрев воды в горшке вызывает увеличение столкновений между его молекулами до точки, где давление ее паров равно атмосферному давлению, и затем происходит фазовое изменение от жидкости к газу. Другими словами: вода испаряется.

Здесь молекулы воды не разрушают ни одной из своих связей, но подвергаются энергетическим изменениям; или что то же самое, внутренняя энергия U воды модифицируется.

Каковы термодинамические переменные для этого случая? Атмосферное давление Р_бывший, температура, образующаяся при сжигании кулинарного газа, и объем воды.

Атмосферное давление постоянно, а температура воды - нет, поскольку она нагревается; ни объем, потому что его молекулы расширяются в пространстве. Это пример физического явления в изобарическом процессе; термодинамическая система при постоянном давлении.

Что если вы положите воду с бобами в скороварку? В этом случае объем остается постоянным (пока давление не сбрасывается при варке зерна), но давление и температура изменяются.

Это связано с тем, что добываемый газ не может вырваться и вращается на стенках котла и поверхности жидкости. Мы говорим о другом физическом явлении, но в изохорном процессе.

Примеры химических явлений

Было упомянуто, что существуют термодинамические переменные, присущие микроскопическим факторам, таким как молекулярная или атомная структура. Каковы эти переменные? Энтальпия (H), энтропия (S), внутренняя энергия (U) и свободная энергия Гиббса (S).

Эти внутренние переменные вещества определены и выражены в терминах макроскопических термодинамических переменных (P, T и V) в соответствии с выбранной математической моделью (обычно модель идеального газа). Благодаря этому можно проводить термодинамические исследования химических явлений..

Например, мы хотим изучить химическую реакцию типа A + B => C, но реакция происходит только при температуре 70 ° C. Кроме того, при температуре выше 100 ° С вместо образования С образуется D.

В этих условиях реактор (сборка, в которой проводится реакция) должен гарантировать постоянную температуру около 70 ° C, поэтому процесс является изотермическим.

Типы и примеры термодинамических процессов

Адиабатические процессы

Это те, в которых нет чистой передачи между системой и ее окружением. Это в долгосрочной перспективе гарантируется изолированной системой (коробкой внутри пузыря).

примеров

Примером этого являются калориметры, которые определяют количество тепла, выделяемого или поглощаемого в результате химической реакции (сгорания, растворения, окисления и т. Д.)..

Внутри физических явлений происходит движение, которое генерирует горячий газ из-за давления на поршни. Аналогично, когда поток воздуха давит на земную поверхность, его температура увеличивается, так как он вынужден расширяться.

С другой стороны, если другая поверхность является газообразной и имеет более низкую плотность, ее температура будет уменьшаться, когда она чувствует более высокое давление, заставляя его частицы конденсироваться.

Адиабатические процессы идеальны для многих промышленных процессов, в которых меньшие потери тепла означают более низкую производительность, что отражается на затратах. Чтобы рассматривать это как таковой, тепловой поток должен быть нулевым, или количество тепла, которое входит, должно быть равным количеству, которое входит в систему..

Изотермические процессы

Изотермические процессы - это все те, в которых температура системы остается постоянной. Это делается с помощью работы, так что другие переменные (P и V) меняются со временем.

примеров

Примеры этого типа термодинамического процесса неисчислимы. По сути, большая клеточная активность происходит при постоянной температуре (обмен ионов и воды через клеточные мембраны). В пределах химических реакций все те, которые устанавливают тепловые равновесия, считаются изотермическими процессами..

Человеческому метаболизму удается поддерживать постоянную температуру тела (приблизительно 37 ° C) посредством широкого спектра химических реакций. Это достигается благодаря энергии, получаемой из пищи.

Фазовые изменения также являются изотермическими процессами. Например, когда жидкость замерзает, она выделяет тепло, предотвращая снижение температуры до тех пор, пока она полностью не окажется в твердой фазе. Как только это произойдет, температура может продолжать снижаться, потому что твердое вещество больше не выделяет энергию.

В тех системах, где используются идеальные газы, изменение внутренней энергии U равно нулю, поэтому все тепло используется для выполнения работы..

Изобарические процессы

В этих процессах давление в системе остается постоянным, варьируя ее объем и температуру. Как правило, они могут возникать в системах, открытых для атмосферы, или в закрытых системах, пределы которых могут быть деформированы увеличением объема, чтобы противодействовать увеличению давления..

примеров

В цилиндрах внутри двигателей, когда газ нагревается, он толкает поршень, который изменяет объем системы.

Если бы это было не так, давление увеличилось бы, так как система не имеет возможности уменьшить столкновения газообразных частиц на стенках цилиндра..

Изохорные процессы

В изохорных процессах объем остается постоянным. Его также можно рассматривать как те, в которых система не генерирует работу (W = 0).

По сути, это физические или химические явления, которые изучаются в любом контейнере, с возбуждением или без.

примеров

Примерами этих процессов являются приготовление пищи, приготовление кофе, охлаждение бутылки с мороженым, кристаллизация сахара, растворение мало растворимого осадка, ионообменная хроматография и другие..

ссылки

1. Джонс, Эндрю Циммерман. (17 сентября 2016 г.) Что такое термодинамический процесс? Взято из: мыслиco.com
2. Дж. Уилкс. (2014). Термодинамические процессы. [PDF]. Взято с сайта: courses.washington.edu
3. Исследование (9 августа 2016 г.). Термодинамические процессы: изобарические, изохорные, изотермические и адиабатические. Взято из: study.com
4. Кевин Вандрей (2018). Каковы некоторые повседневные примеры первого и второго законов термодинамики? Херст Сиэтл Медиа, ООО. Взято из: education.seattlepi.com
5. Ламберт. (2006). Второй закон термодинамики. Взято из: entropysite.oxy.edu
6. 15 Термодинамика. [PDF]. Взято из: wright.edu