TERMODINAMIČKI PROCESI: VRSTE I PRIMJERI - KEMIJA - 2025

U termodinamički procesi su fizičke ili kemijske pojave koje uključuju protok topline (energije) ili rad između sustava i okolice. Kada govorimo o toplini, racionalno nam pada na pamet slika vatre, što je najznačajnija manifestacija procesa koji oslobađa puno toplinske energije.

Sustav može biti i makroskopski (vlak, raketa, vulkan) i mikroskopski (atomi, bakterije, molekule, kvantne točke itd.). To se odvaja od ostatka svemira radi razmatranja topline ili rada koji ulazi ili izlazi iz njega.

Međutim, ne samo da postoji toplinski tok, već i sustavi mogu generirati promjene u nekoj varijabli u svom okruženju kao odgovor na razmatrani fenomen. Prema termodinamičkim zakonima mora postojati pomak između reakcije i topline kako bi se tvar i energija uvijek čuvali.

Navedeno vrijedi za makroskopske i mikroskopske sustave. Razlika između prve i zadnje su varijable za koje se smatra da definiraju njihova energetska stanja (u osnovi, početno i konačno).

No, termodinamički modeli nastoje povezati oba svijeta kontrolirajući varijable kao što su tlak, volumen i temperatura sustava, zadržavajući neke od ovih konstanti da bi proučavali učinak drugih.

Prvi model koji dopušta ovu aproksimaciju je idealni plinovi (PV = nRT), gdje je n broj molova, koji kada je podijeljen s volumenom V daje molarni volumen.

Zatim, izražavajući promjene između okruženja sustava kao funkcije ovih varijabli, mogu se definirati druge, poput rada (PV = W), koje su ključne za strojeve i industrijske procese.

S druge strane, za kemijske pojave veće su zanimljivosti druge vrste termodinamičkih varijabli. One su izravno povezane s oslobađanjem ili apsorpcijom energije i ovise o svojstvenoj prirodi molekula: formiranju i vrstama veza.

Sustavi i pojave u termodinamičkim procesima

U gornjoj slici prikazane su tri vrste sustava: zatvoreni, otvoreni i adijabatski.

U zatvorenom sustavu nema prijenosa materije između njega i okoline, tako da ni jedna stvar ne može ući ili otići; međutim, energija može prijeći granice okvira. Drugim riječima: fenomen F može otpustiti ili apsorbirati energiju, mijenjajući na taj način ono što je izvan okvira.

S druge strane, u otvorenom sustavu horizonti sustava imaju svoje isprekidane linije, što znači da i energija i materija mogu dolaziti i prolaziti između nje i okoline.

Konačno, u izoliranom sustavu razmjena materije i energije između nje i okoline jednaka je nuli; zbog toga je na slici treći okvir zatvoren u mjehurić. Potrebno je pojasniti da okolina može biti ostatak svemira, te da je studija ta koja definira koliko treba uzeti u obzir opseg sustava.

Fizikalne i kemijske pojave

Što je konkretno fenomen F? Označeno slovom F i unutar žutog kruga, pojava je promjena koja se događa i može biti fizička izmjena materije ili njezina transformacija.

Koja je razlika? Ukratko: prva ne prekida niti stvara nove veze, dok druga čini.

Stoga se termodinamički postupak može razmotriti je li fenomen fizički ili kemijski. Međutim, obje imaju zajedničku promjenu u nekom molekularnom ili atomskom svojstvu.

Primjeri fizičkih pojava

Zagrijavanje vode u loncu uzrokuje porast sudara između njegovih molekula do točke kada je tlak njegove pare jednak atmosferskom tlaku, a zatim dolazi do promjene faze iz tekuće u plin. Drugim riječima: voda isparava.

Ovdje molekule vode ne prekidaju niti jednu svoju vezu, ali prolaze kroz energetske promjene; ili ono što je isto, unutarnja energija U vode je modificirana.

Koje su termodinamičke varijable za ovaj slučaj? Atmosferski tlak P _ex, temperaturni produkt izgaranja plina za kuhanje i volumen vode.

Atmosferski tlak je stalan, ali temperatura vode nije, jer se zagrijava; niti volumen, jer se njegove molekule šire u prostoru. Ovo je primjer fizičkog fenomena unutar izobaričkog procesa; to jest termodinamički sustav pod stalnim tlakom.

Što ako vodu s malo graha stavite u štednjak? U tom slučaju, volumen ostaje konstantan (sve dok se tlak ne pusti tijekom kuhanja graha), ali se mijenja tlak i temperatura.

To je zato što proizvedeni plin ne može pobjeći i odskače od zidova lonca i površine tekućine. Zatim govorimo o drugom fizičkom fenomenu, ali unutar izokornog procesa.

Primjeri kemijskih pojava

Spomenuto je da postoje termodinamičke varijable svojstvene mikroskopskim faktorima, poput molekularne ili atomske strukture. Koje su ove varijable? Enttalpija (H), entropija (S), unutarnja energija (U) i slobodna energija Gibbsa (S).

Te unutarnje varijable materije su definirane i izražene u makroskopskim termodinamičkim varijablama (P, T i V), prema odabranom matematičkom modelu (općenito onom idealnih plinova). Zahvaljujući ovoj termodinamičkoj studiji mogu se provesti kemijske pojave.

Na primjer, želite proučiti kemijsku reakciju tipa A + B => C, ali reakcija se događa samo pri temperaturi od 70 ºC. Nadalje, pri temperaturama iznad 100 ºC, umjesto da se proizvodi, D.

Pod tim uvjetima, reaktor (sklop u kojem se odvija reakcija) mora jamčiti konstantnu temperaturu oko 70 ° C, tako da je postupak izotermalan.

Vrste i primjeri termodinamičkih procesa

Adiabatski procesi

Oni su oni u kojima ne postoji neto prijenos između sustava i njegove okoline. To dugoročno jamči izolirani sustav (kutija unutar mjehurića).

Primjeri

Primjer za to su kalorimetri, koji određuju količinu topline koja se oslobađa ili apsorbira kemijskom reakcijom (izgaranje, otapanje, oksidacija itd.).

Unutar fizičkih pojava je gibanje koje stvara vrući plin uslijed pritiska na klipove. Isto tako, kada zračna struja vrši pritisak na zemaljsku površinu, njegova se temperatura povećava kako je prisiljena da se širi.

S druge strane, ako je druga površina plinovita i ima manju gustoću, temperatura će joj se smanjiti kad osjeti veći pritisak, prisiljavajući čestice da se kondenziraju.

Adiabatski procesi idealni su za mnoge industrijske procese, gdje manji gubitak topline znači niže performanse što se odražava na troškove. Da bi ga smatrali takvim, protok topline mora biti jednak ili količina topline koja ulazi u sustav mora biti jednaka onoj koja ulazi u sustav.

Izotermalni procesi

Izotermalni procesi su svi oni u kojima temperatura sustava ostaje konstantna. To čini radeći, tako da se ostale varijable (P i V) s vremenom razlikuju.

Primjeri

Primjeri ove vrste termodinamičkog postupka su bezbrojni. U biti, velik dio stanične aktivnosti odvija se pri konstantnoj temperaturi (razmjena iona i vode preko staničnih membrana). Unutar kemijskih reakcija, svi oni koji uspostave toplinsku ravnotežu smatraju se izotermnim procesima.

Ljudski metabolizam uspijeva održavati konstantnu tjelesnu temperaturu (približno 37 ° C) kroz širok niz kemijskih reakcija. To se postiže zahvaljujući energiji dobivenoj iz hrane.

Fazne promjene su također izotermalni procesi. Na primjer, kada tekućina zamrzne, ona oslobađa toplinu, sprečavajući da se temperatura nastavi spuštati sve dok nije potpuno u čvrstoj fazi. Jednom kada se to dogodi, temperatura se može nastaviti sniziti, jer krutina više ne oslobađa energiju.

U onim sustavima koji uključuju idealne plinove, promjena unutarnje energije U je nula, tako da se sva toplina koristi za rad.

Izobarski procesi

U tim procesima tlak u sustavu ostaje konstantan, mijenjajući njegov volumen i temperaturu. Općenito, mogu se pojaviti u sustavima otvorenim u atmosferi ili u zatvorenim sustavima čije se granice mogu deformirati povećanjem volumena, na način koji sprečava porast tlaka.

Primjeri

U cilindrima unutar motora, kada se plin zagrijava, on gura klip, što mijenja volumen sustava.

Da to nije slučaj, tlak bi se povećao, jer sustav nema načina da smanji sudare plinovitih vrsta na stijenkama cilindara.

Izohorni procesi

U izohorskim procesima volumen ostaje konstantan. Može se smatrati i onima u kojima sustav ne generira nikakav rad (W = 0).

U osnovi, to su fizičke ili kemijske pojave koje se proučavaju u bilo kojem spremniku, bez obzira na miješanje ili ne.

Primjeri

Primjeri ovih procesa su kuhanje hrane, priprema kave, hlađenje boce sladoleda, kristalizacija šećera, otapanje slabo topljivog taloga, kromatografija s izmjenom iona.

Reference

1. Jones, Andrew Zimmerman. (2016., 17. rujna). Što je termodinamički proces? Preuzeto sa: misao.com
2. J. Wilkes. (2014). Termodinamički procesi., Preuzeto sa: tečajevi.washington.edu
3. Studija (9. kolovoza 2016). Termodinamički procesi: izobarski, izohorski, izotermni i dijadijatski. Preuzeto sa: study.com
4. Kevin Wandrei. (2018.). Koji su neki svakodnevni primjeri prvog i drugog zakona termodinamike? Hearst Seattle Media, LLC. Preuzeto sa: education.seattlepi.com
5. Lambert. (2006). Drugi zakon termodinamike. Preuzeto sa: entropysite.oxy.edu
6. 15 Termodinamika., Preuzeto sa: wright.edu