Κατανόηση Θερμοδυναμικών Διαδικασιών:Τύποι, Εξισώσεις &Εφαρμογές
Βασικές έννοιες
Αυτό το άρθρο θα καλύψει τις τέσσερις θερμοδυναμικές διεργασίες:Αδιαβατικές, Ισοχωρικές, Ισοθερμικές και Ισοβαρικές διεργασίες μαζί με τις καμπύλες Πίεσης-Όγκου τους. Μετά από αυτό το άρθρο, θα μπορείτε να περιγράψετε και να κατανοήσετε πώς ένα σύστημα είναι σε θέση να αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του μέσω εργασίας και θερμότητας.
Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα
- Τι είναι η Θερμοχημεία;
- Οι νόμοι της θερμοδυναμικής
- Τι είναι η πίεση αερίου; Ορισμός αερίου
Συστήματα και περιβάλλοντα χώρο
Στη θερμοδυναμική, ένα σύστημα είναι η υπό μελέτη οντότητα. Όλα τα άλλα είναι, λοιπόν, το περιβάλλον αυτού του συστήματος. Ένα σύστημα και το περιβάλλον του μπορούν να αλληλεπιδράσουν ανταλλάσσοντας ύλη και ενέργεια. Υπάρχουν τρεις τύποι συστημάτων:
- Απομονωμένα συστήματα :είναι συστήματα που αδυνατούν να ανταλλάξουν ούτε ύλη ούτε ενέργεια με το περιβάλλον τους. Ένα παράδειγμα αυτού είναι η φιάλη θερμός. Επειδή η φιάλη είναι σφραγισμένη, δεν ανταλλάσσεται ύλη. Η φιάλη θερμός αποτρέπει επίσης οποιαδήποτε μορφή μετάδοσης θερμότητας αποτρέποντας τη μεταφορά θερμότητας, την αγωγή και την ακτινοβολία. Αυτό επιτρέπει στη φιάλη να διατηρεί το υγρό μέσα της ζεστό για μεγάλο χρονικό διάστημα.
- Κλειστά συστήματα :είναι συστήματα που μπορούν να ανταλλάξουν ενέργεια μόνο με το περιβάλλον τους. Για παράδειγμα, τα μαξιλάρια θέρμανσης και οι παγοκύστες είναι κλειστά συστήματα. Επιτρέπουν την ανταλλαγή ενέργειας, με τον οποίο η θερμότητα μεταφέρεται από και προς αυτά, αντίστοιχα. Ωστόσο, τα υγρά στο εσωτερικό τους δεν διαρρέουν, επομένως δεν ανταλλάσσεται ύλη.
- Ανοιχτά συστήματα :είναι συστήματα που μπορούν να ανταλλάξουν ενέργεια και ύλη με το περιβάλλον τους. Αυτή είναι η περίπτωση μιας κατσαρόλας που βράζει χωρίς καπάκι από πάνω της. Ανταλλάσσεται ενέργεια αφού η περιοχή γύρω από το δοχείο γίνεται πιο ζεστή. Επιπλέον, ένα μέρος του νερού εξατμίζεται και φεύγει από το δοχείο, αυτό είναι ανταλλαγή ύλης.
Εννοίες με τις οποίες πρέπει να εξοικειωθείτε
Οι θερμοδυναμικές διεργασίες χαρακτηρίζουν τη μεταφορά ενέργειας (ως θερμότητα) μεταξύ και εντός συστημάτων. Μας βοηθούν να κατανοήσουμε τις ιδιότητες του συστήματος που αλλάζουν ή παραμένουν σταθερές σε όλη τη διαδικασία. Αλλά πριν μπούμε στις διαδικασίες, πρέπει να είμαστε εξοικειωμένοι με δύο πράγματα:
- Καμπύλες πίεσης-όγκου :όταν ένα αέριο διαστέλλεται ή συμπιέζεται, η εργασία γίνεται από ή πάνω στο σύστημα, αντίστοιχα. Αυτό το αντιπροσωπεύουμε με την εξίσωση
Γραφικά, αν σχεδιάσουμε την πίεση (άξονας y) ως προς τις αλλαγές στον όγκο (άξονας x), η περιοχή κάτω από την καμπύλη που προκύπτει θα είναι ίση με την τιμή του έργου.
Έχουμε τέσσερις διεργασίες:Ισοβαρική, Ισοχωρική, Ισοθερμική και Αδιαβατική
Ισοβαρική διαδικασία
Μια ισοβαρική διαδικασία είναι μια διαδικασία που συμβαίνει όταν η πίεση είναι σταθερή. Δεδομένου ότι η πίεση είναι σταθερή ανεξάρτητα από τις αλλαγές στον όγκο, τότε το Η καμπύλη είναι μια οριζόντια επίπεδη γραμμή και το έργο είναι η ορθογώνια περιοχή κάτω από αυτήν.
Το Ισοχωρική διεργασία (ισοογκομετρική)
Οι ισοχωρικές διεργασίες συμβαίνουν υπό σταθερό όγκο. Επειδή η ένταση είναι σταθερή, , μας Η καμπύλη
θα ήταν μια κατακόρυφη γραμμή χωρίς περιοχή κάτω από αυτήν, που σημαίνει ότι δεν έγινε καμία εργασία. Αν τοποθετήσουμε
στην εξίσωση εργασίας μας, θα παίρναμε επίσης
.
Αντικαθιστώντας αυτό στην εξίσωση του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής αποδίδει . Αυτό σημαίνει ότι η μεταβολή της ενέργειας του συστήματος είναι ίση με τη θερμότητα που έχει προστεθεί σε αυτό.
Το Ισοθερμική διαδικασία
Σε μια ισοθερμική διαδικασία, η θερμοκρασία είναι σταθερή. Έτσι, δεν υπάρχει καμία αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια του συστήματος, . Έτσι ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής απλοποιεί να
, επομένως οποιαδήποτε προσθήκη θερμότητας στο σύστημα αντισταθμίζεται από το σύστημα που κάνει δουλειά. Το
η καμπύλη αυτής της διαδικασίας είναι μια υπερβολή. Και μπορεί κανείς να υπολογίσει την πίεση από την εξίσωση ιδανικού αερίου.
Το Για περισσότερη βοήθεια, παρακολουθήστε το διαδραστικό μας βίντεο που εξηγεί τις ισοθερμικές διεργασίες
Αδιαβατική διαδικασία
Οι αδιαβατικές διεργασίες συμβαίνουν όταν το σύστημα και το περιβάλλον του δεν μπορούν να ανταλλάξουν θερμότητα. Επομένως, . Αντικαθιστώντας αυτό στον πρώτο νόμο, παίρνουμε
. Αυτό σημαίνει ότι η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια είναι ίση με την εργασία που γίνεται στο το σύστημα.
Το Η καμπύλη -όπως αυτή των ισοθερμικών διεργασιών- είναι επίσης μια υπερβολή, αλλά με μεγαλύτερη κλίση.
Το Προβλήματα εξάσκησης
Χρησιμοποιώντας το παρακάτω γράφημα, επιλύστε τα ακόλουθα προβλήματα:
Το
Πρόβλημα 1
Προσδιορίστε τη θερμοδυναμική διαδικασία που απεικονίζεται στο παραπάνω γράφημα
Πρόβλημα 2
Υπολογίστε την εργασία που έγινε χρησιμοποιώντας τις πληροφορίες στο γράφημα
Πρακτικές λύσεις προβλημάτων
Πρόβλημα 1
Όπως μπορούμε να δούμε στο γράφημα, η πίεση παραμένει σταθερή σε όλη τη διάρκεια της διαδικασίας. Επομένως, είναι μια ισόβαρη διαδικασία.
Πρόβλημα 2
Σε καμπύλες, η περιοχή κάτω από την καμπύλη είναι ίση με την αξία της εργασίας. Δεδομένου ότι πρόκειται για μια ισοβαρή διαδικασία, μπορούμε εύκολα να υπολογίσουμε το έργο μιας και παίρνει το σχήμα ορθογωνίου. Το μήκος είναι η αλλαγή του όγκου
και το πλάτος είναι η πίεση.
Για περισσότερη βοήθεια, παρακολουθήστε το διαδραστικό μας βίντεο που εξηγεί τις αδιαβατικές διεργασίες και Υπολογισμοί
Και άλλο ένα βίντεο που εξηγεί τις αναστρέψιμες διεργασίες!
Περαιτέρω ανάγνωση
- Τι είναι η ελεύθερη ενέργεια Gibbs;
- Νόμος του Hess
- Τι είναι η Εντροπία;
- Ενδόθερμες έναντι εξώθερμων αντιδράσεων
- Υπολογισμός ενθαλπίας:Οι τέσσερις καλύτερες μέθοδοι
