ТЕРМОДИНАМИЧНИ ПРОЦЕСИ: ВИДОВЕ И ПРИМЕРИ - ХИМИЯ - 2026

На термодинамични процеси са физични или химични явления, свързани с топлинния поток (енергия), или работа между система и околностите му. Когато говорим за топлина, образът на огъня рационално идва на ум, което е най-важното проявление на процес, който отделя много топлинна енергия.

Системата може да бъде както макроскопична (влак, ракета, вулкан), така и микроскопична (атоми, бактерии, молекули, квантови точки и др.). Това се отделя от останалата част на Вселената, за да се вземе предвид топлината или работата, която влиза или излиза от нея.

Въпреки това не само съществува топлинният поток, но и системите могат да генерират промени в някаква променлива в средата си като отговор на разглеждания феномен. Според термодинамичните закони трябва да има компромис между реакцията и топлината, така че материята и енергията да бъдат винаги запазени.

Горното е валидно за макроскопични и микроскопични системи. Разликата между първата и последната са променливите, за които се счита, че определят техните енергийни състояния (по същество началното и крайното).

Термодинамичните модели обаче се стремят да свържат двата свята, като контролират променливи като налягане, обем и температура на системите, запазвайки някои от тези константи, за да изучат ефекта на другите.

Първият модел, който позволява това приближение, е този на идеалните газове (PV = nRT), където n е броят на бенките, който при разделяне на обема V дава моларен обем.

След това, изразявайки промените между системната среда като функция на тези променливи, могат да бъдат дефинирани и други, като работа (PV = W), от съществено значение за машините и индустриалните процеси.

От друга страна, за химичните явления, други видове термодинамични променливи са от по-голям интерес. Те са пряко свързани с освобождаването или усвояването на енергия и зависят от присъщата природа на молекулите: образуването и видовете връзки.

Системи и явления в термодинамичните процеси

В горното изображение са представени трите типа системи: затворена, отворена и адиабатна.

В затворената система няма пренос на материя между нея и заобикалящата я среда, така че никаква материя да не може да влезе или да напусне; енергията обаче може да премине границите на кутията. С други думи: явление F може да освободи или абсорбира енергия, като по този начин променя това, което е извън кутията.

От друга страна, в отворената система хоризонтите на системата имат своите пунктирани линии, което означава, че и енергия, и материя могат да идват и да преминават между нея и околната среда.

И накрая, в изолирана система обменът на материя и енергия между нея и околната среда е нула; поради тази причина в изображението третото поле е затворено в балон. Необходимо е да се изясни, че обкръжението може да бъде останалата част от Вселената и че изследването е това, което определя колко далеч да се вземе предвид обхвата на системата.

Физични и химични явления

Какво конкретно е феномен F? Означено с буквата F и в рамките на жълт кръг, явлението е промяна, която се случва и може да бъде физическото изменение на материята или нейната трансформация.

Каква е разликата? Успешно: първата не прекъсва или създава нови връзки, докато втората.

По този начин може да се разгледа термодинамичен процес според това дали явлението е физическо или химическо. И двете обаче имат обща промяна в някакво молекулно или атомно свойство.

Примери за физически явления

Нагряването на вода в съд предизвиква увеличаване на сблъсъците между молекулите му до степен, когато налягането на парите му се равнява на атмосферното налягане и след това настъпва промяна на фазата от течност в газ. С други думи: водата се изпарява.

Тук водните молекули не нарушават нито една от своите връзки, но претърпяват енергийни промени; или кое е същото, вътрешната енергия U на водата се модифицира.

Какви са термодинамичните променливи за този случай? Атмосферното налягане P _ex, температурният продукт от изгарянето на готварския газ и обемът на водата.

Атмосферното налягане е постоянно, но температурата на водата не е, тъй като тя загрява; нито обемът, защото молекулите му се разширяват в пространството. Това е пример за физическо явление в рамките на изобарен процес; тоест термодинамична система при постоянно налягане.

Ами ако сложите водата с малко боб в тенджера под налягане? В този случай обемът остава постоянен (стига да не се освободи налягането, когато бобът се свари), но налягането и температурата се променят.

Това е така, защото произведеният газ не може да излезе и отскача от стените на съда и повърхността на течността. Тогава говорим за друго физическо явление, но в рамките на изохорен процес.

Примери за химични явления

Беше споменато, че има термодинамични променливи, присъщи на микроскопични фактори, като молекулна или атомна структура. Какви са тези променливи? Енталпия (Н), ентропия (S), вътрешна енергия (U) и свободна енергия на Гибс (S).

Тези вътрешни променливи на материята се дефинират и изразяват чрез макроскопични термодинамични променливи (P, T и V), според избрания математически модел (обикновено този на идеалните газове). Благодарение на това термодинамични изследвания могат да се извършват химични явления.

Например, искате да изучите химическа реакция от тип A + B => C, но реакцията се проявява само при температура 70 ºC. Освен това, при температури над 100 ° C, вместо да се произвежда, D, D.

При тези условия реакторът (агрегатът, където се провежда реакцията) трябва да гарантира постоянна температура от около 70 ° С, така че процесът да е изотермичен.

Видове и примери за термодинамични процеси

Адиабатни процеси

Те са тези, при които няма нетен трансфер между системата и нейното обкръжение. Това в дългосрочен план се гарантира от изолирана система (кутията вътре в балона).

Примери

Пример за това са калориметри, които определят количеството топлина, отделяна или абсорбирана от химическа реакция (горене, разтваряне, окисляване и др.).

В рамките на физическите явления е движението, генерирано от горещия газ поради натиска, упражнен върху буталата. По същия начин, когато въздушен ток оказва натиск върху земна повърхност, неговата температура се увеличава, тъй като е принудена да се разширява.

От друга страна, ако другата повърхност е газообразна и има по-ниска плътност, нейната температура ще намалее, когато почувства по-високо налягане, принуждавайки частиците й да се кондензират.

Адиабатните процеси са идеални за много промишлени процеси, където по-ниските загуби на топлина означават по-ниски показатели, което се отразява в разходите. За да се счита за такъв, топлинният поток трябва да е нулев или количеството топлина, постъпващо в системата, трябва да е равно на това, влизащо в системата.

Изотермични процеси

Изотермичните процеси са всички тези, при които температурата на системата остава постоянна. Това прави, като върши работа, така че другите променливи (P и V) варират във времето.

Примери

Примерите за този тип термодинамичен процес са безброй. По същество голяма част от активността на клетките се осъществява при постоянна температура (обмен на йони и вода в клетъчните мембрани). В рамките на химичните реакции всички тези, които установяват термично равновесие, се считат за изотермични процеси.

Човешкият метаболизъм успява да поддържа постоянна телесна температура (приблизително 37ºC) чрез широка серия от химични реакции. Това се постига благодарение на енергията, получена от храната.

Фазовите промени също са изотермични процеси. Например, когато течността замръзне, тя отделя топлина, предотвратявайки температурата да продължи да намалява, докато не е напълно в твърда фаза. След като това се случи, температурата може да продължи да намалява, тъй като твърдото вещество вече не отделя енергия.

В тези системи, които включват идеални газове, промяната на вътрешната енергия U е нула, така че цялата топлина се използва за вършене на работа.

Изобарични процеси

При тези процеси налягането в системата остава постоянно, променяйки нейния обем и температура. По принцип те могат да възникнат в системи, отворени за атмосферата, или в затворени системи, чиито граници могат да бъдат деформирани от увеличаването на обема, по начин, който противодейства на увеличаването на налягането.

Примери

В цилиндрите вътре в двигателите, когато газът се нагрява, той натиска буталото, което променя обема на системата.

Ако това не беше така, налягането щеше да се увеличи, тъй като системата няма начин да намали сблъсъците на газообразните видове по стените на цилиндъра.

Изохорни процеси

При изохорни процеси обемът остава постоянен. Може да се счита и за тези, при които системата не генерира никаква работа (W = 0).

По същество това са физични или химични явления, които се изучават във всеки контейнер, независимо дали с разбъркване или не.

Примери

Примери за тези процеси са готвене на храна, приготвяне на кафе, охлаждане на бутилка със сладолед, кристализация на захар, разтваряне на слабо разтворима утайка, йонообменна хроматография, наред с други.

Препратки

1. Джоунс, Андрю Цимерман. (2016 г., 17 септември). Какво е термодинамичен процес? Взета от: thinkco.com
2. Дж. Уилкс. (2014). Термодинамични процеси., Взета от:urs.washington.edu
3. Проучване (9 август 2016 г.). Термодинамични процеси: изобарични, изохорни, изотермични и аддиабатни. Взета от: study.com
4. Кевин Вандрей. (2018). Какви са някои ежедневни примери за първия и втория закон на термодинамиката? Hearst Seattle Media, LLC. Взета от: education.seattlepi.com
5. Ламбърт. (2006 г.). Вторият закон на термодинамиката. Взета от: entropysite.oxy.edu
6. 15 Термодинамика., Взета от: wright.edu