Tipi di processi termodinamici ed esempi

il processi termodinamici sono fenomeni fisici o chimici che comportano un flusso di calore (energia) o un lavoro tra un sistema e l'ambiente circostante. Quando si parla di calore, razionalmente viene in mente l'immagine del fuoco, che è la manifestazione per eccellenza di un processo che rilascia molta energia termica.

Il sistema può essere sia macroscopico (un treno, un razzo, un vulcano) che microscopico (atomi, batteri, molecole, punti quantici, ecc.). Questo è separato dal resto dell'universo per considerare il calore o il lavoro che entra o lascia.

Tuttavia, non esiste solo il flusso di calore, ma i sistemi possono anche generare cambiamenti in alcune variabili del loro ambiente come risposta al fenomeno considerato. Secondo le leggi della termodinamica, ci deve essere una compensazione tra la risposta e il calore in modo che la materia e l'energia siano sempre conservate.

Quanto sopra è valido per i sistemi macroscopici e microscopici. La differenza tra il primo e l'ultimo sono le variabili che vengono considerate per definire i loro stati energetici (in sostanza, l'iniziale e il finale).

Tuttavia, i modelli termodinamici cercano di collegare entrambi i mondi controllando variabili come pressione, volume e temperatura dei sistemi, mantenendo alcune di queste costanti per studiare l'effetto degli altri.

Il primo modello che consente questa approssimazione è il gas ideale (PV = nRT), dove n è il numero di moli, che quando si divide tra il volume V si ottiene il volume molare.

Quindi, esprimendo i cambiamenti tra sistema-giro basato su queste variabili, altri possono essere definiti come lavoro (PV = W), indispensabile per macchine e processi industriali.

D'altra parte, un altro tipo di variabile termodinamica è di maggiore interesse per i fenomeni chimici. Questi sono direttamente correlati al rilascio o all'assorbimento di energia e dipendono dalla natura intrinseca delle molecole: la formazione e i tipi di legami.

indice

• 1 Sistemi e fenomeni nei processi termodinamici
  • 1.1 Fenomeni fisici e chimici
  • 1.2 Esempi di fenomeni fisici
  • 1.3 Esempi di fenomeni chimici
• 2 Tipi ed esempi di processi termodinamici
  • 2.1 Processi adiabatici
  • 2.2 Processi isotermici
  • 2.3 Processi isobarici
  • 2.4 Processi isocorici
• 3 riferimenti

Sistemi e fenomeni nei processi termodinamici

Nell'immagine sopra, i tre tipi di sistemi sono rappresentati: chiuso, aperto e adiabatico.

Nel sistema chiuso non vi è alcun trasferimento di materia tra esso e ciò che lo circonda, così che nessuna materia possa entrare o uscire; Tuttavia, l'energia può attraversare i confini della scatola. In altre parole: il fenomeno F può rilasciare o assorbire energia, modificando così ciò che è oltre la scatola.

D'altra parte, nel sistema aperto gli orizzonti del sistema hanno le loro linee tratteggiate, il che significa che sia l'energia che la materia possono andare e venire tra questo e l'ambiente circostante.

Infine, in un sistema isolato, lo scambio di materia ed energia tra esso e l'ambiente circostante è nullo; per questo motivo, nell'immagine la terza scatola è racchiusa in una bolla. È necessario chiarire che l'ambiente circostante può essere il resto dell'universo e che lo studio è ciò che definisce in che misura considerare l'ambito del sistema.

Fenomeni fisici e chimici

In cosa consiste specificamente il fenomeno F? Indicato dalla lettera F e all'interno di un cerchio giallo, il fenomeno è un cambiamento che si verifica e può essere la modifica fisica della materia o la sua trasformazione.

Qual è la differenza? In breve: nel primo non c'è rottura o la creazione di nuovi collegamenti, mentre nel secondo.

Pertanto, un processo termodinamico può essere considerato a seconda che il fenomeno sia fisico o chimico. Tuttavia, entrambi hanno in comune un cambiamento in alcune proprietà molecolari o atomiche.

Esempi di fenomeni fisici

Il riscaldamento dell'acqua in un vaso provoca un aumento di collisioni tra le sue molecole, al punto in cui la pressione del suo vapore equivale alla pressione atmosferica, e quindi si verifica il passaggio di fase da liquido a gas. In altre parole: l'acqua evapora.

Qui le molecole d'acqua non rompono nessuno dei loro legami, ma subiscono cambiamenti energetici; o che cosa è lo stesso, l'energia interna U dell'acqua viene modificata.

Quali sono le variabili termodinamiche per questo caso? La pressione atmosferica P_ex, la temperatura prodotta dalla combustione del gas di cottura e il volume d'acqua.

La pressione atmosferica è costante, ma la temperatura dell'acqua non lo è, dal momento che è riscaldata; né il volume, perché le sue molecole si espandono nello spazio. Questo è un esempio di un fenomeno fisico all'interno di un processo isobarico; cioè un sistema termodinamico a pressione costante.

Cosa succede se si mette l'acqua con alcuni fagioli all'interno di una pentola a pressione? In questo caso, il volume rimane costante (fino a quando la pressione non viene rilasciata quando i chicchi sono cotti), ma la pressione e la temperatura cambiano.

Questo perché il gas prodotto non può sfuggire e rimbalza sulle pareti del vaso e sulla superficie del liquido. Quindi parliamo di un altro fenomeno fisico ma all'interno di un processo isocoro.

Esempi di fenomeni chimici

È stato detto che ci sono variabili termodinamiche inerenti a fattori microscopici, come la struttura molecolare o atomica. Quali sono queste variabili? L'entalpia (H), l'entropia (S), l'energia interna (U) e l'energia libera di Gibbs (S).

Queste variabili intrinseche della materia sono definite ed espresse in termini di variabili termodinamiche macroscopiche (P, T e V), secondo il modello matematico selezionato (solitamente quello dei gas ideali). Grazie a questi studi termodinamici possono essere fatti dei fenomeni chimici.

Ad esempio, si desidera studiare una reazione chimica di tipo A + B => C, ma la reazione avviene solo ad una temperatura di 70 ° C. Inoltre, a temperature superiori a 100 ° C, invece di produrre C, viene generato D.

In queste condizioni, il reattore (il gruppo in cui viene condotta la reazione) deve garantire una temperatura costante intorno ai 70 ° C, quindi il processo è isotermico.

Tipi ed esempi di processi termodinamici

Processi adiabatici

Sono quelli in cui non vi è alcun trasferimento netto tra il sistema e i suoi dintorni. Questo a lungo termine è garantito da un sistema isolato (la scatola all'interno della bolla).

Esempi

Un esempio di questo è il calorimetro, che determina la quantità di calore rilasciato o assorbito da una reazione chimica (combustione, dissoluzione, ossidazione, ecc.).

All'interno dei fenomeni fisici si trova il movimento generato dal gas caldo dovuto alla pressione esercitata sui pistoni. Allo stesso modo, quando una corrente d'aria fa pressione su una superficie terrestre, la sua temperatura aumenta poiché è costretta ad espandersi.

D'altra parte, se l'altra superficie è gassosa e ha una densità inferiore, la sua temperatura diminuirà quando avverte una pressione più alta, costringendo le sue particelle a condensarsi.

I processi adiabatici sono ideali per molti processi industriali, in cui la minore perdita di calore implica prestazioni inferiori che si riflettono nei costi. Per considerarlo come tale, il flusso di calore deve essere zero o la quantità di calore che entra deve essere uguale alla quantità che entra nel sistema.

Processi isotermici

I processi isotermici sono tutti quelli in cui la temperatura del sistema rimane costante. Ciò avviene facendo del lavoro, in modo che le altre variabili (P e V) variano nel tempo.

Esempi

Esempi di questo tipo di processo termodinamico sono innumerevoli. In sostanza, molta attività cellulare avviene a temperatura costante (lo scambio di ioni e acqua attraverso le membrane cellulari). All'interno delle reazioni chimiche, tutti quelli che stabiliscono equilibri termici sono considerati processi isotermici.

Il metabolismo umano riesce a mantenere costante la temperatura corporea (circa 37 ° C) attraverso un'ampia serie di reazioni chimiche. Questo è ottenuto grazie all'energia che si ottiene dal cibo.

I cambiamenti di fase sono anche processi isotermici. Ad esempio, quando un liquido congela, rilascia calore, impedendo che la temperatura diminuisca fino a quando non è completamente in fase solida. Quando ciò accade, la temperatura può continuare a diminuire, perché il solido non rilascia più energia.

In quei sistemi che coinvolgono i gas ideali, il cambiamento dell'energia interna U è zero, quindi tutto il calore viene utilizzato per eseguire il lavoro.

Processi isobarici

In questi processi la pressione nel sistema rimane costante, variando il suo volume e la sua temperatura. In generale, possono verificarsi in sistemi aperti all'atmosfera o in sistemi chiusi i cui limiti possono essere deformati dall'aumento di volume, in modo da contrastare l'aumento di pressione.

Esempi

Nei cilindri all'interno dei motori, quando il gas viene riscaldato, spinge il pistone, che modifica il volume del sistema.

Se ciò non accadesse, la pressione aumenterebbe, poiché il sistema non ha come ridurre le collisioni di specie gassose sulle pareti del cilindro.

Processi isocorici

Nei processi isocorici il volume rimane costante. Può anche essere considerato come quello in cui il sistema non genera lavoro (W = 0).

Fondamentalmente, sono fenomeni fisici o chimici studiati all'interno di qualsiasi contenitore, sia con agitazione o meno.

Esempi

Esempi di questi processi sono la cottura del cibo, la preparazione del caffè, il raffreddamento di una bottiglia di gelato, la cristallizzazione dello zucchero, la dissoluzione di un precipitato scarsamente solubile, una cromatografia a scambio ionico, tra gli altri.

riferimenti

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