THERMODYNAMISCHE PROZESSE: TYPEN UND BEISPIELE - CHEMIE - 2025

Die thermodynamischen Prozesse sind physikalische oder chemische Phänomene, die einen Wärmefluss (Energie) beinhalten oder zwischen einem System und seiner Umgebung wirken. Wenn man über Wärme spricht, fällt einem rational das Bild des Feuers ein, das die Quintessenz eines Prozesses ist, der viel Wärmeenergie 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 Wärmefluss, sondern die Systeme können auch Änderungen in einer Variablen in ihrer Umgebung als Reaktion auf das betrachtete Phänomen erzeugen. Nach den thermodynamischen Gesetzen muss ein Kompromiss zwischen Reaktion und Wärme bestehen, damit 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 ihre Energiezustände definieren (im Wesentlichen der Anfangs- und der Endzustand).

Thermodynamische Modelle versuchen jedoch, beide Welten zu verbinden, indem sie Variablen wie Druck, Volumen und Temperatur der Systeme steuern und einige dieser Konstanten beibehalten, um die Wirkung der anderen zu untersuchen.

Das erste Modell, das diese Annäherung erlaubt, ist das der idealen Gase (PV = nRT), wobei n die Anzahl der Mol ist, die, geteilt durch das Volumen V, das Molvolumen ergibt.

Indem die Änderungen zwischen der Systemumgebung als Funktion dieser Variablen ausgedrückt werden, können andere definiert werden, z. B. Arbeit (PV = W), die für Maschinen und industrielle Prozesse wesentlich ist.

Andererseits sind für chemische Phänomene andere Arten von thermodynamischen Variablen von größerem Interesse. Diese stehen in direktem Zusammenhang mit der Freisetzung oder Absorption von Energie und hängen von der intrinsischen Natur der Moleküle ab: der Bildung und den Arten von Bindungen.

Systeme und Phänomene in thermodynamischen Prozessen

Im oberen Bild sind die drei Systemtypen dargestellt: geschlossen, offen und adiabatisch.

Im geschlossenen System findet keine Übertragung von Materie zwischen ihm und seiner Umgebung statt, so dass keine Materie eintreten oder austreten kann. Energie kann jedoch die Grenzen der Box überschreiten. Mit anderen Worten: Das Phänomen F kann Energie freisetzen oder absorbieren und so das verändern, was sich jenseits der Box befindet.

Andererseits haben im offenen System die Horizonte des Systems ihre gepunkteten Linien, was bedeutet, dass sowohl Energie als auch Materie zwischen ihm 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 im 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 diejenige ist, die definiert, wie weit der Umfang des Systems zu berücksichtigen ist.

Physikalische und chemische Phänomene

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

Was ist der Unterschied? Kurz gesagt: Der erste unterbricht oder erstellt keine neuen Links, während der zweite dies tut.

Somit kann ein thermodynamischer Prozess in Betracht gezogen werden, je nachdem, ob das Phänomen physikalisch oder chemisch ist. Beiden ist jedoch gemeinsam, dass sich einige molekulare oder atomare Eigenschaften ändern.

Beispiele für physikalische Phänomene

Das Erhitzen von Wasser in einem Topf führt zu einer Zunahme der Kollisionen zwischen seinen Molekülen bis zu dem Punkt, an dem der Druck seines Dampfes dem atmosphärischen Druck entspricht, und dann tritt der Phasenwechsel von Flüssigkeit zu Gas auf. Mit anderen Worten: Das Wasser verdunstet.

Hier brechen die Wassermoleküle keine ihrer Bindungen, aber sie unterliegen energetischen Veränderungen; oder was gleich ist, die innere Energie U des Wassers wird modifiziert.

Was sind die thermodynamischen Variablen für diesen Fall? Der atmosphärische Druck P _ex , das Temperaturprodukt der Verbrennung des Kochgases und das Wasservolumen.

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

Was ist, wenn Sie das Wasser mit einigen Bohnen in einen Schnellkochtopf geben? In diesem Fall bleibt das Volumen konstant (solange der Druck beim Kochen der Bohnen nicht abgelassen wird), aber der Druck und die Temperatur ändern sich.

Dies liegt daran, dass das erzeugte Gas nicht entweichen kann und von den Wänden des Topfes und der Oberfläche der Flüssigkeit abprallt. Wir sprechen dann von einem anderen physikalischen Phänomen, aber innerhalb eines isochoren Prozesses.

Beispiele für chemische Phänomene

Es wurde erwähnt, dass mikroskopische Faktoren wie die molekulare oder atomare Struktur thermodynamische Variablen aufweisen. Was sind diese Variablen? Enthalpie (H), Entropie (S), innere Energie (U) und freie Gibbs-Energie (S).

Diese intrinsischen Variablen der Materie werden gemäß dem ausgewählten mathematischen Modell (im Allgemeinen das der idealen Gase) als makroskopische thermodynamische Variablen (P, T und V) definiert und ausgedrückt. Dank dieser thermodynamischen Untersuchungen können chemische Phänomene durchgeführt werden.

Sie möchten beispielsweise eine chemische Reaktion vom Typ A + B => C untersuchen, die jedoch nur bei einer Temperatur von 70 ° C abläuft. Darüber hinaus wird bei Temperaturen über 100 ° C anstelle von C D.

Unter diesen Bedingungen muss der Reaktor (die Baugruppe, in der die Reaktion stattfindet) eine konstante Temperatur um 70 ° C gewährleisten, sodass der Prozess isotherm ist.

Arten und Beispiele thermodynamischer Prozesse

Adiabatische Prozesse

Dies sind solche, bei denen kein Nettotransfer zwischen dem System und seiner Umgebung stattfindet. Dies wird langfristig durch ein isoliertes System (die Box in der Blase) garantiert.

Beispiele

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

Innerhalb der physikalischen Phänomene ist die Bewegung, die das heiße Gas aufgrund des auf die Kolben ausgeübten Drucks erzeugt. Wenn ein Luftstrom Druck auf eine Erdoberfläche ausübt, steigt seine Temperatur ebenfalls an, wenn er gezwungen wird, sich auszudehnen.

Wenn andererseits die andere Oberfläche gasförmig ist und eine geringere Dichte aufweist, nimmt ihre Temperatur ab, wenn sie einen höheren Druck spürt, wodurch ihre Partikel zur Kondensation gezwungen werden.

Adiabatische Prozesse sind ideal für viele industrielle Prozesse, bei denen ein geringerer Wärmeverlust eine geringere Leistung bedeutet, was sich in den Kosten widerspiegelt. Um dies als solches zu betrachten, muss der Wärmefluss Null sein oder die in das System eintretende Wärmemenge muss gleich der in das System eintretenden sein.

Isotherme Prozesse

Isotherme Prozesse sind alle Prozesse, bei denen die Temperatur des Systems konstant bleibt. Dies geschieht durch Arbeiten, so dass die anderen Variablen (P und V) im Laufe der Zeit variieren.

Beispiele

Beispiele für diese Art von thermodynamischem Prozess sind unzählig. Im Wesentlichen findet ein Großteil der Zellaktivität bei konstanter Temperatur statt (Austausch von Ionen und Wasser über Zellmembranen). Bei chemischen Reaktionen werden alle diejenigen, die thermische Gleichgewichte herstellen, als isotherme Prozesse betrachtet.

Der menschliche Stoffwechsel schafft es durch eine Vielzahl chemischer Reaktionen, eine konstante Körpertemperatur (ca. 37 ° C) aufrechtzuerhalten. Dies wird dank der aus Lebensmitteln gewonnenen Energie erreicht.

Phasenwechsel sind auch isotherme Prozesse. Wenn beispielsweise eine Flüssigkeit gefriert, gibt sie Wärme ab, wodurch verhindert wird, dass die Temperatur weiter abnimmt, bis sie sich vollständig in der festen Phase befindet. Sobald dies geschieht, kann die Temperatur weiter sinken, da der Feststoff keine Energie mehr freisetzt.

In Systemen mit idealen Gasen ist die Änderung der inneren Energie U Null, sodass 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. Im Allgemeinen können sie in atmosphärisch offenen Systemen oder in geschlossenen Systemen auftreten, deren Grenzen durch die Volumenzunahme so verformt werden können, dass dem Druckanstieg entgegengewirkt wird.

Beispiele

In Zylindern in Motoren drückt das Gas beim Erhitzen den Kolben, wodurch sich das Volumen des Systems ändert.

Wenn dies nicht der Fall wäre, würde sich der Druck erhöhen, da das System die Kollisionen der gasförmigen Spezies an den Zylinderwänden nicht reduzieren kann.

Isochore Prozesse

Bei isochoren Prozessen bleibt das Volumen konstant. Es kann auch als solche betrachtet werden, bei denen das System keine Arbeit erzeugt (W = 0).

Grundsätzlich handelt es sich um physikalische oder chemische Phänomene, die in jedem Behälter untersucht werden, ob unter Rühren oder nicht.

Beispiele

Beispiele für diese Verfahren sind unter anderem das Kochen von Lebensmitteln, die Zubereitung von Kaffee, das Abkühlen einer Eisflasche, die Kristallisation von Zucker, das Auflösen eines schwerlöslichen Niederschlags, eine Ionenaustauschchromatographie.

Verweise

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