Thermodynamische Prozesse Typen und Beispiele

Die thermodynamische Prozesse sie sind physikalische oder chemische Phänomene, die einen Fluss von Wärme (Energie) beinhalten oder zwischen einem System und seiner Umgebung arbeiten. Wenn man von Wärme spricht, denkt man rational an das Bild des Feuers, das die Manifestation par excellence eines Prozesses ist, der viel thermische Energie freisetzt.

Das System kann sowohl makroskopisch (ein Zug, eine Rakete, ein Vulkan) als auch mikroskopisch (Atome, Bakterien, Moleküle, Quantenpunkte usw.) sein. Dies ist vom Rest des Universums getrennt, um die Wärme oder Arbeit zu berücksichtigen, die in das Universum eintritt oder es verlässt.

Es existiert jedoch nicht nur der Wärmestrom, sondern die Systeme können auch Änderungen in einer Variablen ihrer Umgebung als Antwort auf das betrachtete Phänomen erzeugen. Gemäß den thermodynamischen Gesetzen muss eine Kompensation zwischen Reaktion und Wärme stattfinden, so dass Materie und Energie immer erhalten bleiben.

Das Obige gilt für makroskopische und mikroskopische Systeme. Der Unterschied zwischen dem Ersten und dem Letzten sind die Variablen, die betrachtet werden, um ihre Energiezustände zu definieren (im Wesentlichen das Anfangs und das Endliche).

Thermodynamische Modelle versuchen jedoch, beide Welten durch Kontrolle von Variablen wie Druck, Volumen und Temperatur der Systeme zu verbinden, wobei einige dieser Konstanten beibehalten werden, um die Wirkung der anderen zu untersuchen.

Das erste Modell, das diese Approximation erlaubt, sind die idealen Gase (PV = nRT), wobei n die Anzahl der Mole ist, die bei der Teilung zwischen dem Volumen V das Molvolumen ergibt.

Auf der Grundlage dieser Variablen können dann die Änderungen zwischen Systemumgebungen ausgedrückt werden, andere können als Arbeit (PV = W) definiert werden, die für Maschinen und industrielle Prozesse unverzichtbar ist.

Auf der anderen Seite ist eine andere Art von thermodynamischer Variable für chemische Phänomene von größerem Interesse. Diese hängen direkt mit der Freisetzung oder Absorption von Energie zusammen und hängen von der intrinsischen Natur der Moleküle ab: der Bildung und den Arten von Bindungen.

Index

• 1 Systeme und Phänomene in thermodynamischen Prozessen
  • 1.1 Physikalische und chemische Phänomene
  • 1.2 Beispiele für physikalische Phänomene
  • 1.3 Beispiele für chemische Phänomene
• 2 Arten und Beispiele thermodynamischer Prozesse
  • 2.1 Adiabatische Prozesse
  • 2.2 Isotherme Prozesse
  • 2.3 Isobare Prozesse
  • 2.4 Isochore Prozesse
• 3 Referenzen

Systeme und Phänomene in thermodynamischen Prozessen

Im obigen Bild sind die drei Arten von Systemen dargestellt: geschlossen, offen und adiabatisch.

Im geschlossenen System gibt es keine Übertragung von Materie zwischen ihm und seiner Umgebung, so dass keine Materie eintreten oder austreten kann; Energie kann jedoch die Grenzen der Box überschreiten. Mit anderen Worten: Das F-Phänomen kann Energie freisetzen oder absorbieren und somit das verändern, was außerhalb der Box liegt.

Auf der anderen Seite haben die Horizonte des Systems im offenen System ihre gepunkteten Linien, was bedeutet, dass sowohl Energie als auch Materie zwischen diesem und der Umgebung kommen und gehen können.

Schließlich ist in einem isolierten System der Austausch von Materie und Energie zwischen ihm und der Umgebung null; Aus diesem Grund ist in dem Bild die dritte Box in einer Blase eingeschlossen. Es muss klargestellt werden, dass die Umgebung der Rest des Universums sein kann und dass die Studie definiert, wie weit der Umfang des Systems zu betrachten ist.

Physikalische und chemische Phänomene

Was ist speziell das Phänomen F? Durch den Buchstaben F und innerhalb eines gelben Kreises angedeutet, ist das Phänomen eine Veränderung, die stattfindet und die physikalische Modifikation der Materie oder ihre Umwandlung sein kann.

Was ist der Unterschied? Kurz: In der ersten gibt es keinen Bruch oder die Schaffung neuer Verbindungen, während in der zweiten.

Somit kann ein thermodynamischer Prozess in Abhängigkeit davon betrachtet werden, ob das Phänomen physikalisch oder chemisch ist. Beiden gemeinsam ist jedoch eine Veränderung einiger molekularer oder atomarer Eigenschaften.

Beispiele für physikalische Phänomene

Heizen von Wasser in einem Topf verursacht eine Zunahme der Kollisionen zwischen seinen Molekülen bis zu dem Punkt, wo der Druck seines Dampfes dem atmosphärischen Druck entspricht, und dann tritt der Phasenwechsel von Flüssigkeit zu Gas auf. Mit anderen Worten: Wasser verdunstet.

Hier brechen die Wassermoleküle keine ihrer Bindungen, aber sie verändern sich energetisch; oder was gleich ist, die innere Energie U des Wassers wird verändert.

Was sind die thermodynamischen Variablen für diesen Fall? Der atmosphärische Druck P_exdie Temperatur, die durch die Verbrennung von Kochgas und das Volumen von Wasser erzeugt wird.

Der atmosphärische Druck ist konstant, aber die Wassertemperatur ist nicht, da es erhitzt wird; noch das Volumen, weil seine Moleküle sich im Raum ausdehnen. Dies ist ein Beispiel für ein physikalisches Phänomen innerhalb eines isobaren Prozesses; das heißt, ein thermodynamisches System bei konstantem Druck.

Was, wenn Sie das Wasser mit einigen Bohnen in einen Schnellkochtopf geben? In diesem Fall bleibt das Volumen konstant (solange der Druck beim Garen der Körner nicht abgebaut wird), jedoch ändern sich Druck und Temperatur.

Dies liegt daran, dass das erzeugte Gas nicht über die Wände des Topfes und die Oberfläche der Flüssigkeit austreten kann und zurückspringt. Dann sprechen wir von einem anderen physikalischen Phänomen, aber in einem isochoren Prozess.

Beispiele für chemische Phänomene

Es wurde erwähnt, dass thermodynamische Variablen mikroskopischen Faktoren, wie Molekül- oder Atomstruktur, innewohnen. Was sind diese Variablen? Die Enthalpie (H), die Entropie (S), die innere Energie (U) und die freie Energie von Gibbs (S).

Diese intrinsischen Variablen der Materie sind definiert und ausgedrückt in den makroskopischen thermodynamischen Variablen (P, T und V), entsprechend dem gewählten mathematischen Modell (normalerweise das der idealen Gase). Dank dieser thermodynamischen Studien können chemische Phänomene untersucht werden.

Zum Beispiel wollen Sie eine chemische Reaktion vom Typ A + B => C studieren, aber die Reaktion findet nur bei einer Temperatur von 70 ° C statt. Zusätzlich wird bei Temperaturen über 100 ° C erzeugt, anstatt C zu erzeugen.

Unter diesen Bedingungen muss der Reaktor (die Anordnung, in der die Reaktion durchgeführt wird) eine konstante Temperatur von etwa 70 ° C garantieren, so dass das Verfahren isotherm ist.

Arten und Beispiele thermodynamischer Prozesse

Adiabatische Prozesse

Sie sind diejenigen, in denen es keinen Nettotransfer zwischen dem System und seiner Umgebung gibt. Dies wird langfristig durch ein isoliertes System (die Box in der Blase) gewährleistet.

Beispiele

Ein Beispiel hierfür sind die Kalorimeter, die die Menge an Wärme bestimmen, die bei einer chemischen Reaktion freigesetzt oder absorbiert wird (Verbrennung, Auflösung, Oxidation usw.).

Bei den physikalischen Phänomenen handelt es sich um die Bewegung des heißen Gases aufgrund des auf die Kolben ausgeübten Drucks. Wenn eine Luftströmung Druck auf eine terrestrische Oberfläche ausübt, nimmt ihre Temperatur ebenfalls zu, da sie gezwungen wird, sich auszudehnen.

Wenn andererseits die andere Oberfläche gasförmig ist und eine niedrigere Dichte aufweist, wird ihre Temperatur abnehmen, wenn sie einen höheren Druck fühlt, wodurch ihre Teilchen zur Kondensation gezwungen werden.

Adiabatische Prozesse sind ideal für viele industrielle Prozesse, bei denen der geringere Wärmeverlust eine geringere Leistung bedeutet, die sich in den Kosten widerspiegelt. Um es als solches zu betrachten, muss der Wärmefluss Null sein oder die Menge der Wärme, die eintritt, muss gleich der Menge sein, die in das System eintritt.

Isotherme Prozesse

Die isothermen Prozesse sind alle diejenigen, in denen die Temperatur des Systems konstant bleibt. Dies geschieht durch Arbeit, so dass die anderen Variablen (P und V) mit der Zeit variieren.

Beispiele

Beispiele für diese Art von thermodynamischem Prozess sind unzählig. Im Wesentlichen findet viel zelluläre Aktivität bei einer konstanten Temperatur statt (der Austausch von Ionen und Wasser durch Zellmembranen). Bei allen chemischen Reaktionen werden alle, die thermische Gleichgewichte bilden, als isotherme Prozesse betrachtet.

Der menschliche Stoffwechsel hält die Körpertemperatur durch eine breite Reihe chemischer Reaktionen konstant (ca. 37 ° C). Dies wird dank der Energie erreicht, die aus Lebensmitteln gewonnen wird.

Phasenänderungen sind auch isotherme Prozesse. Zum Beispiel, wenn eine Flüssigkeit gefriert, gibt sie Wärme ab und verhindert, dass die Temperatur abnimmt, bis sie vollständig in der festen Phase ist. Sobald dies geschieht, kann die Temperatur weiter sinken, weil der Feststoff keine Energie mehr freisetzt.

In solchen Systemen, die ideale Gase enthalten, ist die Änderung der inneren Energie U gleich Null, so dass die gesamte Wärme für die Arbeit verwendet wird.

Isobare Prozesse

Bei diesen Prozessen bleibt der Druck im System konstant und variiert sein Volumen und seine Temperatur. Sie können im Allgemeinen in Systemen auftreten, die zur Atmosphäre hin offen sind, oder in geschlossenen Systemen, deren Grenzen durch die Volumenvergrößerung so verformt werden können, dass dem Druckanstieg entgegengewirkt wird.

Beispiele

Wenn das Gas in den Zylindern in den Motoren erhitzt wird, drückt es den Kolben, was das Volumen des Systems verändert.

Geschieht dies nicht, würde der Druck steigen, da das System nicht die Kollisionen gasförmiger Spezies an den Wänden des Zylinders reduzieren kann.

Isochore Prozesse

In den isochoren Prozessen bleibt das Volumen konstant. Es kann auch als derjenige betrachtet werden, in dem das System keine Arbeit erzeugt (W = 0).

Im Grunde handelt es sich um physikalische oder chemische Phänomene, die in jedem Behälter untersucht werden, sei es mit oder ohne Bewegung.

Beispiele

Beispiele für diese Verfahren sind das Kochen von Nahrungsmitteln, die Zubereitung von Kaffee, das Abkühlen einer Eiscremeflasche, die Kristallisation von Zucker, die Auflösung eines schwer löslichen Niederschlags, eine Ionenaustauschchromatographie und andere.

Referenzen

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