TERMODYNAMISKE PROSESSER: TYPER OG EKSEMPLER - KJEMI - 2026

De termodynamiske prosessene er fysiske eller kjemiske fenomener som involverer varmestrøm (energi) eller arbeid mellom et system og dets omgivelser. Når vi snakker om varme, kommer bildet av brann rasjonelt til tankene, som er den kjente manifestasjonen av en prosess som frigjør mye termisk energi.

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

Imidlertid eksisterer ikke bare varmestrømmen, men systemene kan også generere endringer i en eller annen variabel i miljøet som et svar på fenomenet som vurderes. I henhold til termodynamiske lover må det være en avveining mellom respons og varme slik at materie og energi alltid blir bevart.

Ovennevnte er gyldig for makroskopiske og mikroskopiske systemer. Forskjellen mellom den første og den siste er variablene som anses for å definere deres energitilstander (i det vesentlige, den innledende og den endelige).

Imidlertid prøver termodynamiske modeller å forbinde begge verdener ved å kontrollere variabler som trykk, volum og temperatur på systemene, og holde noen av disse konstantene for å studere effekten av de andre.

Den første modellen som tillater denne tilnærmingen er den for ideelle gasser (PV = nRT), der n er antall mol, som når det er delt volumet V gir molvolumet.

Deretter kan man definere endringene mellom system-omgivelser som en funksjon av disse variablene, for eksempel arbeid (PV = W), avgjørende for maskiner og industrielle prosesser.

For kjemiske fenomener er derimot andre typer termodynamiske variabler større interesse. Disse er direkte relatert til frigjøring eller absorpsjon av energi, og avhenger av molekylenes egenart: dannelse og bindingsformer.

Systemer og fenomener i termodynamiske prosesser

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

I det lukkede systemet er det ingen overføring av materie mellom det og dets omgivelser, slik at ingen ting kan komme inn eller forlate; energi kan imidlertid krysse kassens grenser. Med andre ord: fenomen F kan frigjøre eller absorbere energi, og dermed endre det som er utenfor boksen.

På det andre siden, i det åpne systemet har systemets horisonter sine prikkede linjer, noe som betyr at både energi og materie kan komme og gå mellom det og omgivelsene.

Til slutt, i et isolert system er utveksling av materie og energi mellom det og omgivelsene null; av denne grunn er den tredje boksen i bildet lukket i en boble. Det er nødvendig å tydeliggjøre at omgivelsene kan være resten av universet, og at studien er den som definerer hvor langt man skal vurdere omfanget av systemet.

Fysiske og kjemiske fenomener

Hva spesifikt er fenomen F? Indisert med bokstaven F og innenfor en gul sirkel, er fenomenet en endring som finner sted og kan være den fysiske modifikasjonen av materie, eller dens transformasjon.

Hva er forskjellen? Succinctly: den første bryter ikke eller oppretter nye lenker, mens den andre gjør det.

Dermed kan en termodynamisk prosess vurderes i henhold til om fenomenet er fysisk eller kjemisk. Begge deler har imidlertid en forandring i molekylær eller atomegenskap.

Eksempler på fysiske fenomener

Å varme opp vann i en gryte medfører en økning i kollisjoner mellom molekylene, til det punktet hvor dampens trykk tilsvarer atmosfæretrykket, og deretter skjer faseendringen fra væske til gass. Med andre ord: vannet fordamper.

Her bryter ikke vannmolekylene noen av bindingene sine, men de gjennomgår energiske forandringer; eller hva som er det samme, den indre energien U i vannet modifiseres.

Hva er de termodynamiske variablene for dette tilfellet? Det atmosfæriske trykket P _ex , temperaturproduktet av forbrenningen av kokegassen og volumet av vannet.

Atmosfærisk trykk er konstant, men temperaturen på vannet er ikke, siden det varmer opp; heller ikke volumet, fordi molekylene utvider seg 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 i en trykkoker? I dette tilfellet forblir volumet konstant (så lenge trykket ikke frigjøres når bønnene tilberedes), men trykket og temperaturen endres.

Dette er fordi gassen som produseres ikke kan slippe ut og spretter ut av veggene i gryten og overflaten av væsken. Vi snakker da om et annet fysisk fenomen, men innenfor en isokorisk prosess.

Eksempler på kjemiske fenomener

Det ble nevnt at det er termodynamiske variabler iboende for mikroskopiske faktorer, for eksempel molekylær eller atomstruktur. Hva er disse variablene? Enthalpy (H), entropy (S), indre energi (U), og Gibbs fri energi (S).

Disse iboende variablene av materie er definert og uttrykt i form av makroskopiske termodynamiske variabler (P, T og V), i henhold til den valgte matematiske modellen (generelt den for ideelle gasser). Takket være dette kan termodynamiske studier utføres på kjemiske fenomener.

For eksempel vil du studere en kjemisk reaksjon av typen A + B => C, men reaksjonen skjer bare ved en temperatur på 70 ºC. Videre, ved temperaturer over 100 ºC, i stedet for å bli produsert, D.

Under disse forholdene må reaktoren (enheten der reaksjonen finner sted) garantere en konstant temperatur rundt 70 ºC, slik at prosessen er isotermisk.

Typer og eksempler på termodynamiske prosesser

Adiabatiske prosesser

Det er de der det ikke er nettoverføring mellom systemet og dets omgivelser. Dette på lang sikt garanteres av et isolert system (boksen inne i boblen).

eksempler

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

Innenfor de fysiske fenomenene er bevegelsen som genereres av den varme gassen på grunn av trykket som utøves på stemplene. På samme måte når en luftstrøm utøver trykk på en bakkeoverflate, øker temperaturen når den blir tvunget til å ekspandere.

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

Adiabatiske prosesser er ideelle for mange industrielle prosesser, der lavere varmetap betyr lavere ytelse som gjenspeiles i kostnader. For å betrakte det som sådan, må varmestrømmen være null eller varmemengden som kommer inn i systemet må være lik den som kommer inn i systemet.

Isotermiske prosesser

Isotermiske prosesser er alle som temperaturen i systemet holder seg konstant. Det gjør dette ved å gjøre arbeid, slik at de andre variablene (P og V) varierer over tid.

eksempler

Eksempler på denne typen termodynamiske prosesser er utallige. I hovedsak foregår mye av celleaktiviteten ved konstant temperatur (utveksling av ioner og vann over cellemembraner). Innen kjemiske reaksjoner regnes alle som etablerer termiske likevekt som isotermiske prosesser.

Menneskelig metabolisme klarer å opprettholde en konstant kroppstemperatur (ca. 37 ºC) gjennom en lang rekke kjemiske reaksjoner. Dette oppnås takket være energien hentet fra mat.

Faseendringer er også isotermiske prosesser. For eksempel, når en væske fryser, frigjør den varme, og forhindrer at temperaturen fortsetter å synke til den er helt i fast fase. Når dette skjer, kan temperaturen fortsette å synke, fordi det faste stoffet ikke lenger frigjør energi.

I de systemene som involverer ideelle gasser, er endringen i indre energi U null, så all varmen brukes til å utføre arbeid.

Isobariske prosesser

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

eksempler

I sylindere inne i motorer, når gassen varmes, skyver den stempelet, noe som endrer volumet på systemet.

Hvis dette ikke var tilfelle, ville trykket øke, siden systemet ikke har noen måte å redusere kollisjonene av gassartene på sylinderveggene.

Isokoriske prosesser

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

I utgangspunktet er det fysiske eller kjemiske fenomener som studeres i enhver beholder, enten det er med agitasjon eller ikke.

eksempler

Eksempler på disse prosessene er tilberedning av mat, tilberedning av kaffe, avkjøling av en iskremflaske, krystallisering av sukker, oppløsning av et dårlig oppløselig bunnfall, en ionebytterkromatografi, blant andre.

referanser

1. Jones, Andrew Zimmerman. (2016, 17. september). Hva er en termodynamisk prosess? Hentet fra: thoughtco.com
2. J. Wilkes. (2014). Termodynamiske prosesser. . Hentet fra: kurs.washington.edu
3. Studie (9. august 2016). Termodynamiske prosesser: Isobarisk, isokorisk, isotermisk og adiabatisk. Hentet fra: study.com
4. Kevin Wandrei. (2018). Hva er noen daglige eksempler på den første og andre loven om termodynamikk? Hearst Seattle Media, LLC. Hentet fra: education.seattlepi.com
5. Lambert. (2006). Den andre loven om termodynamikk. Hentet fra: entropysite.oxy.edu
6. 15 Termodynamikk. . Hentet fra: wright.edu