TERMODYNAMICKÉ PROCESY: TYPY A PŘÍKLADY - CHEMIE - 2025

Tyto termodynamické procesy jsou fyzikální nebo chemické jevy spojené s tepelným tokem (energie), nebo práce mezi systémem a jeho okolí. Když mluvíme o žáru, přijde na mysl obrázek ohně racionálně, což je typický projev procesu, který uvolňuje hodně tepelné energie.

Systém může být jak makroskopický (vlak, raketa, sopka), tak mikroskopický (atomy, bakterie, molekuly, kvantové tečky atd.). Toto je odděleno od zbytku vesmíru, aby se zvážilo teplo nebo práce, které jej vstupují nebo opouštějí.

Nejenže však existuje tepelný tok, ale systémy mohou také vyvolat změny některých proměnných v jejich prostředí jako reakci na uvažovaný jev. Podle termodynamických zákonů musí existovat kompromis mezi reakcí a teplem, aby byla vždy zachována hmota a energie.

Výše uvedené platí pro makroskopické a mikroskopické systémy. Rozdíl mezi prvním a posledním jsou proměnné, které se považují za definující jejich energetické stavy (v podstatě počáteční a konečný).

Termodynamické modely se však snaží propojit oba světy pomocí řízení proměnných, jako je tlak, objem a teplota systémů, přičemž některé z těchto konstant ponechávají, aby studovaly účinek ostatních.

První model, který umožňuje tuto aproximaci, je model ideálních plynů (PV = nRT), kde n je počet molů, které, když se dělí objemem V, poskytují molární objem.

Poté, vyjádřením změn mezi systémovým okolím jako funkcí těchto proměnných, lze definovat další, jako je práce (PV = W), nezbytná pro stroje a průmyslové procesy.

Na druhé straně, u chemických jevů jsou větší zájem další typy termodynamických proměnných. Ty přímo souvisejí s uvolňováním nebo absorpcí energie a závisí na vnitřní povaze molekul: tvorbě a typech vazeb.

Systémy a jevy v termodynamických procesech

Na horním obrázku jsou znázorněny tři typy systémů: uzavřený, otevřený a adiabatický.

V uzavřeném systému nedochází k žádnému přenosu hmoty mezi ním a jeho okolím, takže žádná hmota nemůže vstoupit ani opustit; energie však může překročit hranice pole. Jinými slovy: jev F může uvolňovat nebo absorbovat energii, a tak modifikovat to, co je mimo krabici.

Na druhé straně v otevřeném systému mají horizonty systému tečkované čáry, což znamená, že energie i hmota mohou přicházet a přecházet mezi ním a okolím.

Konečně v izolovaném systému je výměna hmoty a energie mezi ním a okolím nulová; z tohoto důvodu je na obrázku třetí rámeček uzavřen v bublině. Je nutné objasnit, že okolní prostředí může být zbytkem vesmíru a že studie je ta, která definuje, jak daleko je třeba zvážit rozsah systému.

Fyzikální a chemické jevy

Co konkrétně je jev F? Fenomén je označen písmenem F a uvnitř žlutého kruhu, což je změna, která nastává a může to být fyzická modifikace hmoty nebo její transformace.

Jaký je rozdíl? Stručně: první nerozbije ani nevytvoří nové odkazy, zatímco druhý.

Termodynamický proces lze tedy zvážit podle toho, zda je tento jev fyzický nebo chemický. Oba však mají společnou změnu v některých molekulárních nebo atomových vlastnostech.

Příklady fyzikálních jevů

Ohřev vody v květináči způsobuje nárůst kolizí mezi jejími molekulami až do bodu, kdy se tlak její páry rovná atmosférickému tlaku, a poté dojde k fázové změně z kapaliny na plyn. Jinými slovy: voda se vypařuje.

Molekuly vody zde neporušují žádné vazby, ale procházejí energetickými změnami; nebo co je stejné, vnitřní energie U vody je upravena.

Jaké jsou termodynamické proměnné pro tento případ? Atmosférický tlak P _ex, teplotní produkt spalování plynného plynu a objem vody.

Atmosférický tlak je konstantní, ale teplota vody není, protože se zahřívá; ani objem, protože jeho molekuly se v prostoru rozšiřují. Toto je příklad fyzického jevu uvnitř isobarického procesu; to je termodynamický systém při konstantním tlaku.

Co když dáte vodu s několika fazolemi do tlakového hrnce? V tomto případě zůstává objem konstantní (dokud se tlak neuvaří, když se fazole vaří), ale tlak a teplota se mění.

Je to proto, že produkovaný plyn nemůže uniknout a odrazí se od stěn nádoby a povrchu kapaliny. Mluvíme tedy o dalším fyzickém jevu, ale v rámci izochorického procesu.

Příklady chemických jevů

Bylo zmíněno, že existují mikroskopické faktory, jako jsou molekulární nebo atomová struktura, termodynamické proměnné. Jaké jsou tyto proměnné? Entalpie (H), entropie (S), vnitřní energie (U) a Gibbsova volná energie (S).

Tyto vnitřní proměnné hmoty jsou definovány a vyjádřeny pomocí makroskopických termodynamických proměnných (P, T a V) podle zvoleného matematického modelu (obvykle ideálního plynu). Díky této termodynamické studii lze provádět chemické jevy.

Například chcete studovat chemickou reakci typu A + B => C, ale reakce probíhá pouze při teplotě 70 ° C. Kromě toho, při teplotách nad 100 ° C, místo toho, aby bylo vyrobeno C, D.

Za těchto podmínek musí reaktor (sestava, kde probíhá reakce) zaručovat konstantní teplotu kolem 70 ° C, takže proces je izotermický.

Druhy a příklady termodynamických procesů

Adiabatické procesy

Jsou to takové, ve kterých neexistuje žádný čistý přenos mezi systémem a jeho okolím. To je v dlouhodobém horizontu zaručeno izolovaným systémem (box uvnitř bubliny).

Příklady

Příkladem toho jsou kalorimetry, které určují množství tepla uvolněného nebo absorbovaného chemickou reakcí (spalování, rozpouštění, oxidace atd.).

Ve fyzických jevech je pohyb vytvářený horkým plynem v důsledku tlaku vyvíjeného na písty. Podobně, když proud vzduchu vyvíjí tlak na zemský povrch, jeho teplota se zvyšuje, když je nucena expandovat.

Na druhé straně, pokud je druhý povrch plynný a má nižší hustotu, jeho teplota se sníží, když se cítí vyšší tlak, což nutí jeho částice kondenzovat.

Adiabatické procesy jsou ideální pro mnoho průmyslových procesů, kde nižší tepelné ztráty znamenají nižší výkon, což se odráží v nákladech. Aby to bylo možné považovat, musí být tepelný tok nulový nebo množství tepla vstupujícího do systému musí být stejné jako množství tepla vstupujícího do systému.

Izotermické procesy

Izotermické procesy jsou všechny ty, ve kterých teplota systému zůstává konstantní. Dělá to tak, že se ostatní proměnné (P a V) časem mění.

Příklady

Příklady tohoto typu termodynamického procesu jsou nesčetné. V podstatě k velké části buněčné aktivity dochází při konstantní teplotě (výměna iontů a vody přes buněčné membrány). V rámci chemických reakcí se za izotermické procesy považují všechny, které vytvářejí tepelné rovnováhy.

Lidský metabolismus dokáže udržovat konstantní tělesnou teplotu (přibližně 37 ° C) prostřednictvím široké řady chemických reakcí. Toho je dosaženo díky energii získané z jídla.

Fázové změny jsou také izotermální procesy. Například, když kapalina zamrzne, uvolňuje teplo, což zabraňuje tomu, aby teplota pokračovala ve snižování, dokud není úplně v pevné fázi. Jakmile k tomu dojde, může teplota i nadále klesat, protože pevná látka již neuvolňuje energii.

V systémech, které obsahují ideální plyny, je změna vnitřní energie U nulová, takže veškeré teplo se používá k práci.

Izobarické procesy

V těchto procesech tlak v systému zůstává konstantní, měnící se jeho objem a teplota. Obecně se mohou vyskytovat v systémech otevřených do atmosféry nebo v uzavřených systémech, jejichž hranice mohou být deformovány zvýšením objemu, a to způsobem, který působí proti zvýšení tlaku.

Příklady

Ve válcích uvnitř motorů, když je plyn zahříván, tlačí píst, který mění objem systému.

Pokud by tomu tak nebylo, tlak by se zvýšil, protože systém nemá způsob, jak omezit kolize plynných látek na stěnách válce.

Isochoric procesy

V isochorických procesech objem zůstává konstantní. Lze jej také považovat za ty, u kterých systém negeneruje žádnou práci (W = 0).

V podstatě se jedná o fyzikální nebo chemické jevy, které jsou studovány uvnitř jakéhokoli kontejneru, ať už s agitací nebo ne.

Příklady

Příklady těchto procesů jsou mimo jiné vaření potravin, příprava kávy, chlazení lahvičky se zmrzlinou, krystalizace cukru, rozpouštění špatně rozpustné sraženiny, iontoměničová chromatografie.

Reference

1. Jones, Andrew Zimmerman. (2016, 17. září). Co je termodynamický proces? Převzato z: thinkco.com
2. J. Wilkes. (2014). Termodynamické procesy.. Převzato z: courses.washington.edu
3. Studie (9. srpna 2016). Termodynamické procesy: izobarické, isochorické, izotermální a adiabatické. Převzato z: study.com
4. Kevin Wandrei. (2018). Jaké jsou některé každodenní příklady prvního a druhého zákona o termodynamice? Hearst Seattle Media, LLC. Převzato z: education.seattlepi.com
5. Lambert. (2006). Druhý termodynamický zákon. Převzato z: entropysite.oxy.edu
6. 15 Termodynamika.. Převzato z: wright.edu