PROCESE TERMODINAMICE: TIPURI ȘI EXEMPLE - CHIMIE - 2025

Procesele termodinamice sunt fenomene fizice sau chimice care implică flux de căldură (energie) sau lucrează între un sistem și împrejurimile sale. Când vorbim despre căldură, imaginea focului îmi vine în mod rațional, care este manifestarea chintesențială a unui proces care eliberează multă energie termică.

Sistemul poate fi atât macroscopic (un tren, o rachetă, un vulcan) cât și microscopic (atomi, bacterii, molecule, puncte cuantice etc.). Aceasta este separată de restul universului pentru a lua în considerare căldura sau munca care intră sau lasă-l.

Cu toate acestea, nu numai că fluxul de căldură există, dar sistemele pot genera, de asemenea, modificări ale unor variabile din mediul lor ca răspuns la fenomenul considerat. Conform legilor termodinamice, trebuie să existe un compromis între răspuns și căldură, astfel încât materia și energia să fie mereu conservate.

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

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

Primul model care permite această aproximare este cel al gazelor ideale (PV = nRT), unde n este numărul de aluniți, care atunci când este împărțit la volumul V dă volumul molar.

Apoi, exprimând modificările dintre sistemul de jur-împrejur în funcție de aceste variabile, altele pot fi definite, cum ar fi de lucru (PV = W), esențiale pentru mașini și procese industriale.

Pe de altă parte, pentru fenomenele chimice, alte tipuri de variabile termodinamice prezintă un interes mai mare. Acestea sunt direct legate de eliberarea sau absorbția de energie și depind de natura intrinsecă a moleculelor: formarea și tipurile de legături.

Sisteme și fenomene în procese termodinamice

În imaginea superioară sunt reprezentate cele trei tipuri de sisteme: închis, deschis și adiabatic.

În sistemul închis nu există transfer de materie între acesta și împrejurimile sale, astfel încât indiferent de materie poate intra sau ieși; cu toate acestea, energia poate trece granițele cutiei. Cu alte cuvinte: fenomenul F poate elibera sau absorbi energie, 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 veni și merge între ea și împrejurimi.

În sfârșit, într-un sistem izolat schimbul de materie și energie între aceasta și împrejurimi este zero; din acest motiv, în imagine, a treia casetă este închisă într-o bulă. Este necesar să clarificăm că mediul înconjurător poate fi restul universului și că studiul este cel care definește cât de mult trebuie luat în considerare domeniul de aplicare al sistemului.

Fenomenele fizice și chimice

Ce anume este fenomenul F? Indicat de litera F și în cadrul unui cerc galben, fenomenul este o schimbare care are loc și poate fi modificarea fizică a materiei sau transformarea ei.

Care este diferența? Succinctly: prima nu rupe și nu creează legături noi, în timp ce a doua.

Astfel, un proces termodinamic poate fi considerat în funcție de faptul dacă fenomenul este fizic sau chimic. Cu toate acestea, ambele au în comun o schimbare în unele proprietăți moleculare sau atomice.

Exemple de fenomene fizice

Încălzirea apei într-un vas provoacă o creștere a coliziunilor între moleculele sale, până la punctul în care presiunea vaporilor săi este egală cu presiunea atmosferică, iar apoi se produce schimbarea de fază de la lichid la gaz. Cu alte cuvinte: apa se evaporă.

Aici moleculele de apă nu își rup niciuna dintre legăturile lor, ci suferă modificări energetice; sau ceea ce este același, energia internă U a apei este modificată.

Care sunt variabilele termodinamice pentru acest caz? Presiunea atmosferică P _ex , temperatura produsului de ardere a gazului de gătit și volumul apei.

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

Ce se întâmplă dacă puneți apa cu niște fasole într-o oală sub presiune? În acest caz, volumul rămâne constant (atât timp cât presiunea nu este eliberată când fasolea este gătită), dar presiunea și temperatura se schimbă.

Acest lucru se datorează faptului că gazul produs nu poate scăpa și răspunde de pereții vasului și de suprafața lichidului. Vorbim atunci despre un alt fenomen fizic, dar în cadrul unui proces izooric.

Exemple de fenomene chimice

S-a menționat că există variabile termodinamice inerente factorilor microscopici, precum structura moleculară sau atomică. Care sunt aceste variabile? Entalpie (H), entropie (S), energie internă (U) și energie liberă (S) Gibbs.

Aceste variabile intrinseci ale materiei sunt definite și exprimate în termeni de variabile termodinamice macroscopice (P, T și V), conform modelului matematic selectat (în general cel al gazelor ideale). Datorită acestei studii termodinamice se pot realiza fenomene chimice.

De exemplu, doriți să studiați o reacție chimică de tip A + B => C, dar reacția are loc doar la o temperatură de 70 ºC. Mai mult, la temperaturi peste 100 ºC, în loc să fie produs C, D.

În aceste condiții, reactorul (ansamblul în care are loc reacția) trebuie să garanteze o temperatură constantă în jurul valorii de 70 ºC, deci procesul este izoterm.

Tipuri și exemple de procese termodinamice

Procese adiabatice

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

Exemple

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

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

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

Procesele adiabatice sunt ideale pentru multe procese industriale, unde pierderea de căldură mai mică înseamnă performanțe mai mici, care se reflectă în costuri. Pentru a considera acest lucru, fluxul de căldură trebuie să fie zero sau cantitatea de căldură care intră în sistem trebuie să fie egală cu cea care intră în sistem.

Procese izoterme

Procesele izoterme sunt toate cele în care temperatura sistemului rămâne constantă. Face acest lucru făcând lucrări, astfel încât celelalte variabile (P și V) să varieze în timp.

Exemple

Exemple de acest tip de proces termodinamic sunt nenumărate. În esență, o mare parte a activității celulare are loc la temperatura constantă (schimbul de ioni și apă pe membranele celulare). În cadrul reacțiilor chimice, toate cele care stabilesc echilibrul termic sunt considerate procese izoterme.

Metabolismul uman reușește să mențină o temperatură constantă a corpului (aproximativ 37ºC) printr-o serie largă de reacții chimice. Aceasta se realizează datorită energiei obținute din alimente.

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

În acele sisteme care implică gaze ideale, schimbarea energiei interne U este zero, deci toată căldura este utilizată pentru a funcționa.

Procese izobarice

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

Exemple

În buteliile din interiorul motoarelor, atunci când gazul este încălzit, el împinge pistonul, ceea ce modifică volumul sistemului.

Dacă nu ar fi cazul, presiunea ar crește, deoarece sistemul nu are cum să reducă coliziunile speciilor gazoase pe pereții cilindrilor.

Procesele izochorice

În procesele izochorice volumul rămâne constant. De asemenea, pot fi considerate ca acelea în care sistemul nu generează nicio lucrare (W = 0).

Practic, sunt fenomene fizice sau chimice care sunt studiate în orice recipient, indiferent dacă sunt agitate sau nu.

Exemple

Exemple ale acestor procese sunt prepararea alimentelor, prepararea cafelei, răcirea unei sticle de înghețată, cristalizarea zahărului, dizolvarea unui precipitat slab solubil, o cromatografie cu schimb de ioni, printre altele.

Referințe

1. Jones, Andrew Zimmerman. (2016, 17 septembrie). Ce este un proces termodinamic? Luat de la: thinkco.com
2. J. Wilkes. (2014). Procese termodinamice. . Preluat de la: courses.washington.edu
3. Studiu (9 august 2016). Procese termodinamice: izobarice, izocorice, izotermice și adiabatice. Luat de la: studiu.com
4. Kevin Wandrei. (2018). Care sunt unele exemple zilnice ale primei și celei de-a doua legi a termodinamicii? Hearst Seattle Media, LLC. Luat de la: education.seattlepi.com
5. Lambert. (2006). A doua lege a termodinamicii. Luat de la: entropysite.oxy.edu
6. 15 Termodinamica. . Luat de la: wright.edu