תהליכים תרמודינמיים סוגי ודוגמאות

ה תהליכים תרמודינמיים הן תופעות פיזיות או כימיות הכרוכות בזרימת חום (אנרגיה) או בעבודה בין מערכת לבין סביבתה. כאשר מדברים על חום, באופן רציונלי עולה על הדעת את הדימוי של אש, המהווה את הביטוי par excellence של תהליך זה משחרר הרבה אנרגיה תרמית.

המערכת יכולה להיות גם מאקרוסקופית (רכבת, רקטה, הר געש) ומיקרוסקופיים (אטומים, חיידקים, מולקולות, נקודות קוונטיות וכו '). זה מופרד משאר היקום לשקול את החום או עבודה שנכנס או משאיר את זה.

עם זאת, לא רק את זרימת החום קיים, אבל המערכות יכול גם ליצור שינויים מסוימים המשתנה של הסביבה שלהם בתגובה לתופעה נחשב. על פי החוקים התרמודינמיים, חייב להיות פיצוי בין תגובה לחום, כך שהחומר והאנרגיה יישמרו תמיד.

האמור לעיל תקף למערכות מקרוסקופיות ומיקרוסקופיות. ההבדל בין הראשון והאחרון הוא המשתנים הנחשבים להגדרת מצבי האנרגיה שלהם (המהותית, הראשונית והסופית).

עם זאת, מודלים תרמודינמיים שואפים לחבר את שני העולמות על ידי שליטה במשתנים כגון לחץ, נפח וטמפרטורה של המערכות, שמירה על כמה קבועים אלה כדי ללמוד את ההשפעה של אחרים.

המודל הראשון המאפשר קירוב זה הוא זה של הגזים האידיאליים (PV = nRT), כאשר n הוא מספר השומות, שכאשר מחלקים בין נפח V נפח הטוחנת מתקבל.

לאחר מכן, המבטא את השינויים בין המערכת סביב משתנים אלה, אחרים יכולים להיות מוגדר עבודה (PV = W), חיוני למכונות תהליכים תעשייתיים.

מצד שני, סוג אחר של משתנה תרמודינמי הוא בעל עניין רב יותר בתופעות כימיות. אלה קשורים ישירות לשחרור או לקליטת אנרגיה, והם תלויים בטבעם הפנימי של המולקולות: היווצרות וסוגי הקישורים.

אינדקס

• 1 מערכות ותהליכים בתהליכים תרמודינמיים
  • 1.1 תופעות פיסיקליות וכימיות
  • 1.2 דוגמאות לתופעות פיזיות
  • 1.3 דוגמאות לתופעות כימיות
• 2 סוגים ודוגמאות לתהליכים תרמודינמיים
  • 2.1 תהליכים עדיפים
  • 2.2 תהליכים איזותרמיים
  • 2.3 תהליכים איזובריים
  • 2.4 תהליכים איזוכוריים
• 3 הפניות

מערכות ותופעות בתהליכים תרמודינמיים

בתמונה לעיל, שלושת סוגי המערכות מיוצגים: סגורים, פתוחים ואדיאבאטיים.

במערכת סגורה אין העברת חומר בינה לבין סביבתה, כך שכל דבר אינו יכול להיכנס ולצאת; עם זאת, האנרגיה יכולה לחצות את גבולות התיבה. במילים אחרות: התופעה F יכולה לשחרר או לספוג אנרגיה, ובכך לשנות את מה שמעבר לתיבה.

מאידך, במערכת הפתוחה יש לאופקי המערכת את הקווים המנוקדים שלהם, כלומר, גם האנרגיה והחומר יכולים לבוא וללכת בין זה לבין הסביבה.

לבסוף, במערכת מבודדת, חילופי החומר והאנרגיה בינה לבין הסביבה הם בטלים; מסיבה זו, בתמונה התיבה השלישית מוקפת בתוך בועה. יש צורך להבהיר כי הסביבה יכולה להיות שאר היקום, וכי המחקר הוא זה המגדיר עד כמה רחוק לשקול את היקף המערכת.

תופעות פיסיקליות וכימיות

מה זה דווקא התופעה F? המצביע על ידי האות F ובתוך מעגל צהוב, התופעה היא שינוי המתרחש והוא יכול להיות שינוי פיזי של החומר, או את השינוי שלה.

מה ההבדל? בתמציתיות: הראשון לא לשבור או ליצור קישורים חדשים, ואילו השני עושה.

לפיכך, תהליך תרמודינמי יכול להיחשב על פי אם התופעה היא פיזית או כימית. עם זאת, שניהם יש במשותף שינוי חלק מולקולרית או אטומית רכוש.

דוגמאות לתופעות פיזיות

חימום מים בסיר גורם לעלייה בהתנגשויות בין מולקולות שלה, עד לנקודה שבה הלחץ של אדי שלה שווה ללחץ אטמוספרי, ולאחר מכן שינוי שלב מנוזל לגז מתרחשת. במילים אחרות: מים מתאדים.

כאן מולקולות המים אינן שוברות את כל הקשרים שלהן, אך הן עוברות שינויים באנרגיה; או מה אותו דבר, האנרגיה הפנימית של המים משתנה.

מהם המשתנים התרמודינמיים במקרה זה? הלחץ האטמוספרי P_לשעבר, הטמפרטורה הנוצרת על ידי הבעירה של גז בישול ואת כמות המים.

הלחץ האטמוספרי הוא קבוע, אבל הטמפרטורה של המים אינה, שכן הוא מחומם; ולא נפח, כי המולקולות שלה להתרחב בחלל. זוהי דוגמה לתופעה פיזית בתוך תהליך איזוברי; כלומר, מערכת תרמודינמית בלחץ מתמיד.

מה אם אתה שם את המים עם כמה שעועית בתוך סיר לחץ? במקרה זה, נפח נשאר קבוע (כל עוד הלחץ לא שוחרר בעת בישול הדגן), אבל הלחץ ואת השינוי הטמפרטורה.

הסיבה לכך היא כי גז המיוצר לא יכול לברוח מסתובב על הקירות של הסיר ואת פני השטח של הנוזל. אנחנו מדברים על תופעה פיזית אחרת אבל בתוך תהליך איזוכורי.

דוגמאות לתופעות כימיות

צוין כי ישנם משתנים תרמודינמיים הטמונים בגורמים מיקרוסקופיים, כגון המבנה המולקולרי או האטומי. מהם המשתנים האלה? האנתלפיה (H), האנטרופיה (S), האנרגיה הפנימית (U) והאנרגיה החופשית של גיבס (S).

משתנים אלו של החומר מוגדרים ומתבטאים במונחים של המשתנים התרמודינמיים המקרוסקופיים (P, T ו- V), על פי המודל המתמטי הנבחר (בדרך כלל מודל הגז האידיאלי). הודות למחקרים תרמודינמיים אלה ניתן לבצע לתופעות הכימיות.

לדוגמה, אנחנו רוצים ללמוד תגובה כימית של סוג A + B => C, אבל התגובה מתרחשת רק בטמפרטורה של 70 מעלות צלזיוס. בנוסף, בטמפרטורות מעל 100 מעלות צלזיוס, במקום לייצר C, D נוצר.

בתנאים אלה, הכור (הרכבה שבה התגובה מבוצעת) חייב להבטיח טמפרטורה קבועה סביב 70 מעלות צלזיוס, ולכן התהליך isothermal.

סוגי ודוגמאות של תהליכים תרמודינמיים

תהליכים אדיאבאטיים

הם אלה שאין בהם מעבר נטו בין המערכת לבין סביבתה. זה במונחים ארוכים מובטחת על ידי מערכת מבודדת (התיבה בתוך הבועה).

דוגמאות

דוגמה לכך היא קלורימטר, אשר קובעים את כמות החום שוחרר או נספג תגובה כימית (שרפה, פירוק, חמצון, וכו ').

בתוך התופעות הפיזיות היא התנועה שמייצרת את הגז החם בשל הלחץ המופעל על הבוכנות. כמו כן, כאשר זרם של לחיצות אוויר על פני השטח הארצי, הטמפרטורה שלו עולה שכן הוא נאלץ להתרחב.

מצד שני, אם המשטח השני הוא גזי ויש לו צפיפות נמוכה יותר, הטמפרטורה שלו יקטן כאשר הוא מרגיש לחץ גבוה יותר, לאלץ את החלקיקים שלה כדי לעבות.

תהליכים adiabatic הם אידיאליים עבור תהליכים תעשייתיים רבים, בהם אובדן החום נמוך מרמז על ביצועים נמוכים יותר משתקף בעלויות. כדי לשקול את זה ככזה, את זרימת החום חייב להיות אפס או כמות החום שנכנס חייב להיות שווה לכמות נכנס למערכת..

תהליכים איזותרמיים

התהליכים האיסתרמיים הם כל אלה שבהם הטמפרטורה של המערכת נשארת קבועה. זה נעשה על ידי עושה עבודה, כך משתנים אחרים (P ו- V) להשתנות עם הזמן.

דוגמאות

דוגמאות לסוג זה של תהליך תרמודינמי הן אינספור. בעיקרו של דבר, פעילות סלולרית רבה מתרחשת בטמפרטורה קבועה (החלפת יונים ומים דרך קרום התא). בתוך תגובות כימיות, כל אלה המקימים שיווי משקל תרמי נחשבים תהליכים איזותרמיים.

המטבוליזם האנושי מצליח לשמור על טמפרטורת גוף קבועה (כ -37 מעלות צלזיוס) באמצעות מגוון רחב של תגובות כימיות. זה מושג בזכות האנרגיה המתקבלת ממזון.

שינויים בשלב הם גם תהליכים איזותרמיים. לדוגמה, כאשר נוזל מקפיא אותו משחרר חום, מניעת הטמפרטורה מ יורדת עד שהוא לגמרי בשלב מוצק. ברגע שזה קורה, הטמפרטורה יכולה להמשיך לרדת, כי מוצק כבר לא משחרר אנרגיה.

במערכות אלה הכרוכות בגזים אידיאליים השינוי של האנרגיה הפנימית U הוא אפס, ולכן כל החום משמש לביצוע עבודה.

תהליכים איזובריים

בתהליכים אלה הלחץ במערכת נשאר קבוע, משתנה נפח וטמפרטורה. באופן כללי, הם יכולים להתרחש במערכות הפתוחות לאטמוספירה, או במערכות סגורות שמגבולותיהן מעוותות מהגידול בנפח, על מנת לנטרל את לחץ הלחץ.

דוגמאות

בתוך צילינדרים בתוך המנועים, כאשר הגז מחומם, זה דוחף את הבוכנה, אשר משנה את עוצמת הקול של המערכת.

אם זה לא היה המקרה, הלחץ יגבר, שכן למערכת אין שום דרך לצמצם את ההתנגשויות של מינים גזי על קירות הצילינדר..

תהליכים איזוכוריים

בתהליכים איזוכוריים נפח נשאר קבוע. זה יכול גם להיחשב כאלו שבהם המערכת מייצרת שום עבודה (W = 0).

ביסודו של דבר, הם תופעות פיסיקליות או כימיות הנלמדות בתוך כל מכולה, בין אם עם תסיסה או לא.

דוגמאות

דוגמאות לתהליכים אלה הן בישול מזון, הכנת קפה, קירור בקבוק גלידה, התגבשות הסוכר, פירוק של משקע מסיס קטן, חילופי כרומטוגרפיה יונית ועוד..

הפניות

1. ג 'ונס, אנדרו צימרמן. (17 בספטמבר 2016). מהו תהליך תרמודינמי? נלקח מתוך: thinkco.com
2. ג 'יי וילקס. (2014). תהליכים תרמודינמיים. [PDF] נלקח מ: courses.washington.edu
3. מחקר (9 באוגוסט 2016). תהליכים תרמודינמיים: Isobaric, Isochoric, Isothermal & Adiabatic. לקוח מתוך:
4. קווין ונדריי (2018). מה הן דוגמאות יומיומיות של החוקים הראשון והשני של תרמודינמיקה? הרסט סיאטל מדיה, LLC. נלקח מ:
5. למברט. (2006). החוק השני של התרמודינמיקה. נלקח מ: entropysite.oxy.edu
6. 15 תרמודינמיקה. [PDF] נלקח מ: wright.edu