- מערכות ותופעות בתהליכים תרמודינמיים
- תופעות פיזיקליות וכימיות
- דוגמאות לתופעות גופניות
- דוגמאות לתופעות כימיות
- סוגים ודוגמאות לתהליכים תרמודינמיים
- תהליכים אדיאבטיים
- דוגמאות
- תהליכים איזותרמיים
- דוגמאות
- תהליכים איזובריים
- דוגמאות
- תהליכים איזוכוריים
- דוגמאות
- הפניות
תהליך תרמודינמי הם תופעות פיזיות או כימיים מעורבים זרימת החום (אנרגיה) או עבודה בין מערכת וסביבתה. כשמדברים על חום, עולה דימוי האש באופן רציונלי, שהוא הביטוי המובהק של תהליך שמשחרר הרבה אנרגיה תרמית.
המערכת יכולה להיות מקרוסקופית (רכבת, רקטה, הר געש) וגם מיקרוסקופית (אטומים, חיידקים, מולקולות, נקודות קוונטיות וכו '). זה מופרד משאר היקום כדי לקחת בחשבון את החום או העבודה שנכנסים אליו או עוזבים אותו.
עם זאת, לא רק שזרימת החום קיימת, אלא שהמערכות יכולות גם ליצור שינויים במשתנה כלשהו בסביבתם כתגובה לתופעה הנחשבת. על פי חוקים תרמודינמיים, חייב להיות סחר בין תגובה לחום כך שתמיד יישמר חומר ואנרגיה.
האמור לעיל תקף למערכות מקרוסקופיות ומיקרוסקופיות. ההבדל בין הראשון לאחרון הם המשתנים שנחשבים להגדרת מצבי האנרגיה שלהם (במהותם, ראשוני וסופי).
עם זאת, מודלים תרמודינמיים מבקשים לחבר בין שני העולמות על ידי בקרת משתנים כמו לחץ, נפח וטמפרטורה של המערכות, תוך שמירה על כמה קבועים אלה כדי ללמוד את השפעתם של האחרים.
המודל הראשון המאפשר קירוב זה הוא זה של גזים אידיאליים (PV = nRT), כאשר n הוא מספר השומות, שכאשר מחולק לפי הנפח V נותן את הנפח הטוחני.
לאחר מכן, באמצעות ביטוי השינויים בין מערכת-סביבה כפונקציה של משתנים אלה, ניתן להגדיר אחרים, כגון עבודה (PV = W), חיוניים למכונות ותהליכים תעשייתיים.
מצד שני, לגבי תופעות כימיות, סוגים אחרים של משתנים תרמודינמיים מעניינים יותר. אלה קשורים ישירות לשחרור או לספיגת אנרגיה, ותלויים באופי המהות של המולקולות: היווצרות וסוגי הקשרים.
מערכות ותופעות בתהליכים תרמודינמיים
בתמונה העליונה מיוצגים שלושת סוגי המערכות: סגור, פתוח ואדיאבטי.
במערכת הסגורה אין העברת חומר בינה לסביבתה, כך ששום דבר לא יכול להיכנס או לצאת; עם זאת, אנרגיה יכולה לחצות את גבולות התיבה. במילים אחרות: תופעה F יכולה לשחרר או לקלוט אנרגיה, ובכך לשנות את מה שמעבר לתיבה.
לעומת זאת, במערכת הפתוחה אופקי המערכת הם בעלי הקווים המנוקדים שלהם, מה שאומר שגם אנרגיה וגם חומר יכולים לבוא ולעבור בינה לבין הסביבה.
לבסוף, במערכת מבודדת החלפת החומר והאנרגיה בינה לבין הסביבה היא אפס; מסיבה זו, בתמונה התיבה השלישית סגורה בבועה. יש להבהיר כי הסביבה יכולה להיות שאר היקום, וכי המחקר הוא זה שמגדיר כמה רחוק לקחת בחשבון את היקף המערכת.
תופעות פיזיקליות וכימיות
מה ספציפית תופעה F? מצוין על ידי האות F ובתוך עיגול צהוב, התופעה היא שינוי שמתרחש ויכול להיות שינוי פיזי של החומר, או טרנספורמציה.
מה ההבדל? באופן תמציתי: הראשון לא נשבר או יוצר קישורים חדשים, ואילו השני כן.
כך, ניתן לשקול תהליך תרמודינמי על פי השאלה אם התופעה היא פיזית או כימית. עם זאת, לשניהם משותף שינוי בתכונה מולקולרית או אטומית כלשהי.
דוגמאות לתופעות גופניות
חימום מים בסיר גורם לעלייה בהתנגשויות בין מולקולותיהם, עד לנקודה בה לחץ אדי שווה ללחץ אטמוספרי ואז מתרחש שינוי הבמה מנוזל לגז. במילים אחרות: המים מתאדים.
כאן מולקולות המים אינן מפרות את קשריהן, אך הן עוברות שינויים אנרגטיים; או מה זהה, האנרגיה הפנימית U של המים משתנה.
מהם המשתנים התרמודינמיים למקרה זה? הלחץ האטמוספרי P ex , תוצר הטמפרטורה של בעירה של גז הבישול ונפח המים.
הלחץ האטמוספרי קבוע, אך הטמפרטורה של המים אינה, מכיוון שהם מתחממים; וגם לא הנפח, מכיוון שמולקולותיו מתרחבות בחלל. זו דוגמא לתופעה גופנית בתהליך איזוברי; כלומר מערכת תרמודינמית בלחץ מתמיד.
מה אם תכניסו את המים עם כמה שעועית לסיר לחץ? במקרה זה הנפח נשאר קבוע (כל עוד הלחץ לא משתחרר כשמבשלים את השעועית), אך הלחץ והטמפרטורה משתנים.
הסיבה לכך היא שהגז המופק אינו יכול לברוח ומתקפיץ מדפנות הסיר ומשטח הנוזל. אנו מדברים אז על תופעה גופנית אחרת אך בתהליך איזוכורי.
דוגמאות לתופעות כימיות
הוזכר שישנם משתנים תרמודינמיים הטבועים בגורמים מיקרוסקופיים, כמו מבנה מולקולרי או אטומי. מהם המשתנים האלה? אנתלפיה (H), אנטרופיה (S), אנרגיה פנימית (U), ואנרגיה חופשית של ג'יבס (S).
משתנים מהותיים מהותיים של חומר מוגדרים ומתבטאים במונחים של משתנים תרמודינמיים מקרוסקופיים (P, T ו- V), על פי המודל המתמטי שנבחר (בדרך כלל זה של גזים אידיאליים). בזכות מחקרים תרמודינמיים זה ניתן לבצע תופעות כימיות.
לדוגמה, אתה רוצה לבדוק תגובה כימית מסוג A + B => C, אך התגובה מתרחשת רק בטמפרטורה של 70 מעלות צלזיוס. יתר על כן, בטמפרטורות מעל 100 מעלות צלזיוס, במקום לייצר C, ד.
בתנאים אלה, הכור (המכלול בו מתרחשת התגובה) חייב להבטיח טמפרטורה קבועה סביב 70 מעלות צלזיוס, כך שהתהליך הוא איזותרמי.
סוגים ודוגמאות לתהליכים תרמודינמיים
תהליכים אדיאבטיים
הם אלה שבהם אין העברה נטו בין המערכת לסביבתה. זה בטווח הארוך מובטח על ידי מערכת מבודדת (הקופסה בתוך הבועה).
דוגמאות
דוגמה לכך הן קלורימטר, הקובעות את כמות החום שמשתחררת או נספגת מתגובה כימית (בעירה, פירוק, חמצון וכו ').
בתוך התופעות הפיזיות נמצאת התנועה הנוצרת על ידי הגז החם עקב הלחץ המופעל על הבוכנות. באופן דומה, כאשר זרם אוויר מפעיל לחץ על משטח יבשתי, הטמפרטורה שלו עולה ככל שהוא נאלץ להתרחב.
לעומת זאת, אם המשטח האחר גזי ובעל צפיפות נמוכה יותר, הטמפרטורה שלו תרד כאשר הוא מרגיש לחץ גבוה יותר, מה שמאלץ את חלקיקיו להתעבות.
תהליכים Adiabatic הם אידיאליים לתהליכים תעשייתיים רבים, כאשר איבוד חום נמוך יותר פירושו ביצועים נמוכים יותר אשר משתקפים בעלויות. כדי להתייחס אליו ככאלה, זרימת החום חייבת להיות אפס או שכמות החום הנכנסת למערכת חייבת להיות שווה לזו שנכנסת למערכת.
תהליכים איזותרמיים
תהליכים איזותרמיים הם כל אלה שבהם הטמפרטורה של המערכת נשארת קבועה. זה עושה זאת על ידי ביצוע עבודה, כך שהמשתנים האחרים (P ו- V) משתנים לאורך זמן.
דוגמאות
דוגמאות לסוג זה של תהליך תרמודינמי הן אינספור. בעיקרו של דבר, חלק גדול מפעילות התא מתרחש בטמפרטורה קבועה (חילופי יונים ומים על קרומי התא). בתוך תגובות כימיות, כל אלה שמבססים שיווי משקל תרמיים נחשבים לתהליכים איזותרמיים.
חילוף החומרים האנושי מצליח לשמור על טמפרטורת גוף קבועה (37 מעלות צלזיוס) באמצעות סדרה רחבה של תגובות כימיות. זה מושג בזכות האנרגיה המתקבלת מהמזון.
שינויים בשלבים הם גם תהליכים איזותרמיים. לדוגמה, כאשר נוזל קופא הוא משחרר חום, ומונע מהטמפרטורה להמשיך לרדת עד שהוא לגמרי נמצא במוצק. ברגע שזה קורה, הטמפרטורה יכולה להמשיך לרדת מכיוון שהמוצק כבר לא משחרר אנרגיה.
במערכות המערבות גזים אידיאליים, השינוי באנרגיה הפנימית U הוא אפס, ולכן כל החום משמש לעבודה.
תהליכים איזובריים
בתהליכים אלה הלחץ במערכת נשאר קבוע, ומשתנה את נפחו וטמפרטורתו. באופן כללי, הם יכולים להופיע במערכות הפתוחות לאטמוספירה, או במערכות סגורות שגבולותיהן יכולים להתעוות על ידי עליית הנפח, באופן המנוגד לעליית הלחץ.
דוגמאות
בצילינדרים במנועים, כאשר הגז מחומם, הוא דוחף את הבוכנה, שמשנה את עוצמת הקול של המערכת.
אם זה לא היה המקרה, הלחץ היה גדל, מכיוון שלמערכת אין דרך להפחית את התנגשויות המין הגזי על קירות הגליל.
תהליכים איזוכוריים
בתהליכים איזוכוריים הנפח נשאר קבוע. זה יכול להיחשב כאלו שהמערכת לא מייצרת עבודה כלשהי (W = 0).
בעיקרון, מדובר בתופעות פיזיקליות או כימיות הנחקרות בתוך כל מיכל, בין אם עם תסיסה ובין אם לא.
דוגמאות
דוגמאות לתהליכים אלה הם בישול מזון, הכנת קפה, קירור בקבוק גלידה, התגבשות סוכר, פירוק משקעים מסיסים בצורה גרועה, כרומטוגרפיה להחלפת יונים, ועוד.
הפניות
- ג'ונס, אנדרו צימרמן. (2016, 17 בספטמבר). מהו תהליך תרמודינמי? נלקח מ: thoughtco.com
- ג'יי וילקס. (2014). תהליכים תרמודינמיים. . לקוח מ: Courses.washington.edu
- מחקר (9 באוגוסט 2016). תהליכים תרמודינמיים: איזובריים, איזוכוריים, איזותרמיים ואדיאבטיים. נלקח מ: study.com
- קווין וונדריי. (2018). מהן כמה דוגמאות יומיומיות לחוקים הראשונים והשניים של התרמודינמיקה? הרסט סיאטל מדיה, LLC. נלקח מ: education.seattlepi.com
- למברט. (2006). החוק השני של התרמודינמיקה. נלקח מ: entropysite.oxy.edu
- 15 תרמודינמיקה. . נלקח מ: wright.edu