Modele și exemple de procese termodinamice

procese termodinamice ele sunt fenomene fizice sau chimice care implică un flux de căldură (energie) sau de lucru între un sistem și împrejurimile acestuia. Când vorbim de căldură, ne gândim rațional la imaginea focului, care este manifestarea prin excelență a unui proces care eliberează o mulțime de energie termică.

Sistemul poate fi macroscopic (un tren, o rachetă, un vulcan) și microscopic (atomi, bacterii, molecule, puncte cuantice etc.). Acesta este separat de restul universului pentru a lua în considerare căldura sau lucrarea care intră sau o părăsesc.

Cu toate acestea, există nu numai fluxul de căldură, dar sistemele pot genera, de asemenea, schimbări în unele variabile ale mediului lor ca răspuns la fenomenul considerat. Conform legilor termodinamice, trebuie să existe o compensație între răspuns și căldură, astfel încât materia și energia să fie întotdeauna conservate.

Cele de mai sus sunt valabile pentru sistemele macroscopice și microscopice. Diferența dintre prima și ultima sunt variabilele care sunt considerate a defini stările lor de energie (în esență, inițială și finală).

Cu toate acestea, modelele termodinamice caută să conecteze ambele lumi prin controlarea unor variabile precum presiunea, volumul și temperatura sistemelor, păstrând unele dintre aceste constante pentru a studia efectul celorlalte.

Primul model care permite această aproximare este gazele ideale (PV = nRT), unde n este numărul de cariere, care, atunci când se împarte între volumul V, se obține volumul molar.

Apoi, exprimând schimbările dintre sistem în jurul acestor variabile, altele pot fi definite ca muncă (PV = W), indispensabilă pentru mașini și procese industriale.

Pe de altă parte, un alt tip de variabilă termodinamică este de interes mai mare pentru fenomenele chimice. Acestea sunt direct legate de eliberarea sau absorbția energiei și depind de natura intrinsecă a moleculelor: formarea și tipurile de legături.

index

• 1 Sisteme și fenomene în procesele termodinamice
  • 1.1 Fenomenele fizice și chimice
  • 1.2 Exemple de fenomene fizice
  • 1.3 Exemple de fenomene chimice
• 2 Tipuri și exemple de procese termodinamice
  • 2.1 Procese adiabatice
  • 2.2 Procese izoterme
  • 2.3 Procese izobarice
  • 2.4 Procese isochorice
• 3 Referințe

Sisteme și fenomene în procesele termodinamice

În imaginea de mai sus, sunt reprezentate cele trei tipuri de sisteme: închise, deschise și adiabatice.

În sistemul închis nu există niciun transfer de materie între acesta și împrejurimile sale, astfel încât nu poate intra sau ieși; Cu toate acestea, energia poate traversa marginile cutiei. Cu alte cuvinte: fenomenul F poate elibera sau absorbi energia, modificând astfel ceea ce este dincolo de cutie.

Pe de altă parte, în sistemul deschis, orizonturile sistemului au liniile lor punctate, ceea ce înseamnă că atât energia cât și materia pot să vină și să meargă între acesta și împrejurimi.

În cele din urmă, într-un sistem izolat schimbul de materie și energie între el și împrejurimi este nul; din acest motiv, în imagine cea de-a treia casetă este închisă într-un balon. Este necesar să se clarifice faptul că împrejurimile pot fi restul universului și că studiul este ceea ce definește cât de departe trebuie să luăm în considerare domeniul de aplicare al sistemului.

Fenomenele fizice și chimice

Care este în mod specific fenomenul F? Indicată prin litera F și într-un cerc galben, fenomenul este o schimbare care are loc și poate fi modificarea fizică a materiei sau transformarea acesteia.

Care este diferența? Succinct: în primul nu există rupere sau crearea de legături noi, în timp ce în al doilea.

Astfel, un proces termodinamic poate fi luat în considerare dacă fenomenul este fizic sau chimic. Cu toate acestea, ambele au în comun o schimbare în anumite proprietăți moleculare sau atomice.

Exemple de fenomene fizice

Apa de încălzire într-o oală cauzează o creștere a coliziunilor dintre moleculele sale, până la punctul în care presiunea vaporilor săi este egală cu presiunea atmosferică, iar apoi apare schimbarea de fază de la lichid la gaz. Cu alte cuvinte: apa se evaporă.

Aici moleculele de apă nu sparge nici una dintre legăturile lor, dar se supun schimbărilor de energie; sau ceea ce este același, energia internă a apei este modificată.

Care sunt variabilele termodinamice pentru acest caz? Presiunea atmosferică P_fără, temperatura produsă de arderea gazului de gătit și volumul de apă.

Presiunea atmosferică este constantă, dar temperatura apei nu este, deoarece este încălzită; nici volumul, deoarece moleculele sale se extind în spațiu. Acesta este un exemplu al unui fenomen fizic în cadrul unui proces izobaric; adică un sistem termodinamic la o presiune constantă.

Ce se întâmplă dacă puneți apa cu niște fasole într-o aragaz sub presiune? În acest caz, volumul rămâne constant (atâta timp cât presiunea nu este eliberată când boabele sunt gătite), dar schimbarea de presiune și temperatură.

Acest lucru se datorează faptului că gazul produs nu poate scăpa și revine peste pereții vasului și suprafața lichidului. Apoi vorbim despre un alt fenomen fizic, dar într-un proces izocoric.

Exemple de fenomene chimice

Sa menționat că există variabile termodinamice inerente factorilor microscopici, cum ar fi structura moleculară sau atomică. Care sunt aceste variabile? Entalpia (H), entropia (S), energia internă (U) și energia liberă a lui Gibbs (S).

Aceste variabile intrinseci ale materiei sunt definite și exprimate în termeni de variabile termodinamice macroscopice (P, T și V), în funcție de modelul matematic selectat (de obicei cel al gazelor ideale). Datorită acestui studiu termodinamic se pot face studii asupra fenomenelor chimice.

De exemplu, doriți să studiați o reacție chimică de tip A + B => C, dar reacția apare numai la o temperatură de 70 ° C. În plus, la temperaturi peste 100 ° C, în loc de a produce C, D este generat.

În aceste condiții, reactorul (ansamblul în care se efectuează reacția) trebuie să garanteze o temperatură constantă de aproximativ 70 ° C, astfel încât procesul este izotermic.

Tipuri și exemple de procese termodinamice

Procesele adiabatice

Acestea sunt cele în care nu există un transfer net între sistem și împrejurimile sale. Acest lucru este garantat pe termen lung de un sistem izolat (cutia din interiorul bulei).

Exemple

Un exemplu în acest sens sunt calorimetrele, care determină cantitatea de căldură eliberată sau absorbită dintr-o reacție chimică (ardere, dizolvare, oxidare, etc.).

În cadrul fenomenelor fizice este mișcarea generată de gazul fierbinte datorită presiunii exercitate asupra pistoanelor. De asemenea, atunci când un curent de aer exercită o presiune pe o suprafață terestră, temperatura crește din moment ce este forțată să se extindă.

Pe de altă parte, dacă cealaltă suprafață este gazoasă și are o densitate mai mică, temperatura acesteia va scădea atunci când se simte o presiune mai mare, forțând particulele sale să se condenseze.

Procesele adiabatice sunt ideale pentru multe procese industriale, în care scăderea pierderilor de căldură implică o performanță mai scăzută care se reflectă în costuri. Pentru a o considera ca atare, debitul de căldură trebuie să fie zero sau cantitatea de căldură care intră trebuie să fie egală cu cantitatea care intră în sistem.

Procese izotermice

Procesele izoterme sunt toate în care temperatura sistemului rămâne constantă. Acest lucru se face prin munca, astfel încât celelalte variabile (P și V) variază în funcție de timp.

Exemple

Exemplele acestui tip de proces termodinamic sunt nenumărate. În esență, activitatea celulară are loc la o temperatură constantă (schimbul de ioni și apă prin membranele celulare). În cadrul reacțiilor chimice, toți cei care stabilesc echilibru termic sunt considerați procese izoterme.

Metabolismul uman reușește să mențină temperatura corpului constantă (aproximativ 37 ° C) printr-o serie largă de reacții chimice. Acest lucru este realizat datorită energiei obținute din alimente.

Modificările de fază sunt și procese izoterme. De exemplu, atunci când un lichid îngheață, acesta eliberează căldură, împiedicând scăderea temperaturii până când este complet în fază solidă. Odată ce se întâmplă acest lucru, temperatura poate continua să scadă, deoarece solidul nu mai eliberează energie.

În sistemele care implică gaze ideale, schimbarea energiei interne U este zero, astfel încât toată căldura este utilizată pentru a efectua munca.

Procesele izobarice

În aceste procese, presiunea în sistem rămâne constantă, variind volumul și temperatura acestuia. În general, ele pot apărea în sisteme deschise în atmosferă sau în sisteme închise ale căror limite pot fi deformate prin creșterea volumului, într-un mod care contracarează creșterea presiunii.

Exemple

În cilindrii din interiorul motoarelor, când gazul este încălzit, acesta împinge pistonul, care modifică volumul sistemului.

Dacă acest lucru nu sa întâmplat, presiunea ar crește, deoarece sistemul nu are cum să reducă coliziunile de specii gazoase pe pereții cilindrului.

Procese isochorice

În procesele isochorice volumul rămâne constant. De asemenea, pot fi considerate ca cele în care sistemul nu generează nici o activitate (W = 0).

Practic, ele sunt fenomene fizice sau chimice care sunt studiate în interiorul oricărui recipient, fie cu agitație, fie nu.

Exemple

Exemple de astfel de procese sunt gătitul alimentelor, prepararea cafelei, răcirea unei sticle de înghețată, cristalizarea zahărului, dizolvarea unui precipitat slab solubil, o cromatografie de schimb ionic, printre altele.

referințe

1. Jones, Andrew Zimmerman. (17 septembrie 2016). Ce este un proces termodinamic? Luat de la: thoughtco.com
2. J. Wilkes. (2014). Procesele termodinamice. [PDF]. Luat de la: courses.washington.edu
3. Studiu (9 august 2016). Procese termodinamice: izobaric, isochoric, izotermic și adiabatic. Luat de la: study.com
4. Kevin Wandrei (2018).Care sunt unele exemple de zi cu zi ale primei și celei de-a doua legi a termodinamicii? Hearst Seattle Media, SRL. Luat de la: education.seattlepi.com
5. Lambert. (2006). A doua lege a termodinamicii. Luat de la: entropysite.oxy.edu
6. 15 Termodinamica. [PDF]. Luat de la: wright.edu