أنواع العمليات الحرارية و الأمثلة

ال العمليات الديناميكية الحرارية هي ظواهر فيزيائية أو كيميائية تنطوي على تدفق الحرارة (الطاقة) أو العمل بين النظام ومحيطه. عندما نتحدث عن الحرارة ، تتبادر إلى الذهن بعقلانية صورة النار ، والتي هي مظهر من مظاهر التميز في عملية تطلق الكثير من الطاقة الحرارية.

يمكن للنظام أن يكون عيانيًا (قطار ، صاروخ ، بركان) ومجهري (ذرات ، بكتيريا ، جزيئات ، نقاط كمومية ، إلخ). يتم فصل هذا عن بقية الكون للنظر في الحرارة أو العمل الذي يدخل أو يترك هذا.

ومع ذلك ، لا يوجد فقط تدفق الحرارة ، ولكن يمكن للأنظمة أيضًا توليد تغييرات في بعض المتغيرات في بيئتها استجابة للظاهرة التي تم النظر فيها. وفقًا لقوانين الديناميكا الحرارية ، يجب أن يكون هناك تعويض بين الاستجابة والحرارة بحيث يتم الحفاظ على هذه المادة والطاقة دائمًا.

ما ورد أعلاه صالح للأنظمة العيانية والمجهرية. الفرق بين الأول والأخير هو المتغيرات التي يتم اعتبارها لتحديد حالات الطاقة الخاصة بهم (في جوهرها ، الأولي والنهائي).

ومع ذلك ، تهدف النماذج الديناميكية الحرارية إلى ربط العالمين من خلال التحكم في المتغيرات مثل الضغط والحجم ودرجة حرارة الأنظمة ، مع الحفاظ على بعض هذه الثوابت لدراسة تأثير الآخرين.

النموذج الأول الذي يسمح بهذا التقريب هو الغازات المثالية (PV = nRT) ، حيث n هو عدد الشامات ، وعند التقسيم بين الحجم الخامس يتم الحصول على الحجم المولي.

بعد ذلك ، عند التعبير عن التغييرات بين النظام حوله اعتمادًا على هذه المتغيرات ، يمكن تعريف الآخرين على أنهم عمل (PV = W) ، وهو أمر لا غنى عنه بالنسبة للآلات والعمليات الصناعية.

من ناحية أخرى ، هناك نوع آخر من المتغيرات الديناميكية الحرارية ذات أهمية أكبر للظواهر الكيميائية. هذه ترتبط ارتباطًا مباشرًا بإطلاق الطاقة أو امتصاصها ، وتعتمد على الطبيعة الداخلية للجزيئات: تكوين أنواع الارتباطات وأنواعها.

مؤشر

• 1 الأنظمة والظواهر في العمليات الديناميكية الحرارية
  • 1.1 الظواهر الفيزيائية والكيميائية
  • 1.2 أمثلة على الظواهر الفيزيائية
  • 1.3 أمثلة على الظواهر الكيميائية
• 2 أنواع وأمثلة من العمليات الحرارية
  • 2.1 العمليات الأديباكية
  • 2.2 عمليات متساوي الحرارة
  • 2.3 العمليات isobaric
  • 2.4 عمليات Isochoric
• 3 المراجع

النظم والظواهر في العمليات الحرارية

في الصورة أعلاه ، يتم تمثيل الأنواع الثلاثة للأنظمة: مغلقة ومفتوحة وغير ثابتة.

لا يوجد في النظام المغلق أي نقل للأمر بينها وبين البيئة المحيطة بها ، بحيث لا يمكن لأي شيء الدخول أو الخروج ؛ ومع ذلك ، يمكن للطاقة عبور حدود المربع. بمعنى آخر: يمكن لظاهرة F إطلاق الطاقة أو امتصاصها ، وبالتالي تعديل ما هو خارج الصندوق.

من ناحية أخرى ، في آفاق النظام مفتوحة لها خطوط منقط ، مما يعني أن كل من الطاقة والمادة يمكن أن تأتي وتذهب بين هذا وبين البيئة المحيطة.

أخيرًا ، في نظام منعزل ، يكون تبادل المادة والطاقة بينه وبين البيئة المحيطة باطلاً ؛ لهذا السبب ، في الصورة ، يتم وضع المربع الثالث في فقاعة. من الضروري توضيح أن البيئة المحيطة يمكن أن تكون بقية الكون ، وأن الدراسة هي التي تحدد مدى النظر في نطاق النظام.

الظواهر الفيزيائية والكيميائية

ما هي بالتحديد ظاهرة F؟ يشار إليه بالحرف F وداخل الدائرة الصفراء ، فإن الظاهرة هي تغيير يحدث ويمكن أن يكون التعديل المادي للمادة ، أو تحولها.

ما هو الفرق؟ باختصار: الأول لا يقطع أو يخلق روابط جديدة ، بينما الثاني يقطع.

وبالتالي ، يمكن النظر في عملية الديناميكا الحرارية وفقا لما إذا كانت هذه الظاهرة فيزيائية أو كيميائية. ومع ذلك ، فإن كلاهما تشترك في تغيير في بعض الخصائص الجزيئية أو الذرية.

أمثلة على الظواهر الفيزيائية

يؤدي تسخين الماء في وعاء إلى زيادة التصادمات بين جزيئاته ، إلى درجة أن ضغط بخاره يساوي الضغط الجوي ، ثم يتغير الطور من السائل إلى الغاز. بمعنى آخر: يتبخر الماء.

هنا جزيئات الماء لا تكسر أي من روابطها ، لكنها تخضع لتغيرات الطاقة ؛ أو ما هو نفسه ، يتم تعديل الطاقة الداخلية U من الماء.

ما هي المتغيرات الديناميكية الحرارية لهذه الحالة؟ الضغط الجوي P_السابق, درجة الحرارة الناتجة عن احتراق غاز الطهي وحجم الماء.

الضغط الجوي ثابت ، لكن درجة حرارة الماء ليست كذلك ، لأنه يتم تسخينه ؛ ولا الحجم ، لأن جزيئاته تتوسع في الفضاء. هذا مثال على ظاهرة جسدية داخل عملية متساوية. وهذا هو ، نظام الديناميكا الحرارية في الضغط المستمر.

ماذا لو وضعت الماء مع بعض الحبوب داخل طنجرة الضغط؟ في هذه الحالة ، يظل مستوى الصوت ثابتًا (طالما لم يتم تحرير الضغط عند طهي الحبوب) ، ولكن الضغط ودرجة الحرارة تتغير.

وذلك لأن الغاز المنتج لا يمكن أن يهرب ويدور على جدران الوعاء وسطح السائل. نحن نتحدث عن ظاهرة جسدية أخرى ولكن في إطار عملية متساوية.

أمثلة على الظواهر الكيميائية

وقد ذكر أن هناك متغيرات ديناميكية حرارية ملازمة للعوامل المجهرية ، مثل التركيب الجزيئي أو الذري. ما هي هذه المتغيرات؟ الانثالبي (H) ، الانتروبيا (S) ، الطاقة الداخلية (U) والطاقة الحرة لـ Gibbs (S).

يتم تعريف هذه المتغيرات الجوهرية للمادة ويتم التعبير عنها من حيث المتغيرات الديناميكية الحرارية العيانية (P و T و V) ، وفقًا للنموذج الرياضي المحدد (نموذج الغاز المثالي عمومًا). بفضل هذه الدراسات الحرارية يمكن إجراء الظواهر الكيميائية.

على سبيل المثال ، نريد دراسة تفاعل كيميائي من النوع A + B => C ، لكن التفاعل يحدث فقط عند درجة حرارة 70 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك ، في درجات حرارة أعلى من 100 درجة مئوية ، بدلاً من إنتاج C ، يتم إنشاء D.

في ظل هذه الظروف ، يجب أن يضمن المفاعل (التجميع حيث يتم تنفيذ التفاعل) درجة حرارة ثابتة عند حوالي 70 درجة مئوية ، وبالتالي تكون العملية متساوية الحرارة.

أنواع وأمثلة من العمليات الحرارية

عمليات Adiabatic

إنها تلك التي لا يوجد فيها نقل صاف بين النظام ومحيطه. ويضمن هذا على المدى الطويل من قبل نظام معزول (مربع داخل الفقاعة).

أمثلة

مثال على ذلك هو المسعرات ، التي تحدد كمية الحرارة المنبعثة أو الممتصة من التفاعل الكيميائي (الاحتراق ، الذوبان ، الأكسدة ، إلخ.).

داخل الظواهر الفيزيائية هي الحركة التي تولد الغاز الساخن بسبب الضغط الذي تمارسه على المكابس. وبالمثل ، عندما يضغط تيار الهواء على سطح أرضي ، تزداد درجة حرارته نظرًا لأنه مضطر للتوسع.

من ناحية أخرى ، إذا كان السطح الآخر غازيًا وكثافة أقل ، فسوف تنخفض درجة حرارته عندما يشعر بارتفاع الضغط ، مما يضطر جزيئاته إلى التكثيف.

تعتبر العمليات الأديابيك مثالية للعديد من العمليات الصناعية ، حيث ينطوي انخفاض فقدان الحرارة على أداء أقل ينعكس في التكاليف. للنظر في الأمر على هذا النحو ، يجب أن يكون تدفق الحرارة صفراً أو يجب أن تكون كمية الحرارة التي تدخل فيها مساوية للكمية التي تدخل النظام..

عمليات متساوي الحرارة

العمليات الحرارية هي جميع العمليات التي تظل فيها درجة حرارة النظام ثابتة. يتم ذلك عن طريق القيام بالعمل ، بحيث تختلف المتغيرات الأخرى (P و V) مع مرور الوقت.

أمثلة

أمثلة على هذا النوع من العمليات الحرارية لا تعد ولا تحصى. في جوهرها ، يحدث الكثير من النشاط الخلوي في درجة حرارة ثابتة (تبادل الأيونات والمياه من خلال أغشية الخلايا). ضمن التفاعلات الكيميائية ، كل تلك التي تنشئ التوازن الحراري تعتبر عمليات متساوية الحرارة.

الأيض البشري تمكن من الحفاظ على درجة حرارة الجسم ثابتة (حوالي 37 درجة مئوية) من خلال مجموعة واسعة من التفاعلات الكيميائية. يتم تحقيق ذلك بفضل الطاقة التي يتم الحصول عليها من الطعام.

تغييرات المرحلة هي أيضا عمليات متساوي الحرارة. على سبيل المثال ، عندما يتجمد السائل فإنه يطلق الحرارة ، مما يمنع درجة الحرارة من الانخفاض حتى يصبح في المرحلة الصلبة تمامًا. بمجرد حدوث ذلك ، يمكن أن تستمر درجة الحرارة في الانخفاض ، لأن المادة الصلبة لم تعد تطلق الطاقة.

في تلك الأنظمة التي تحتوي على غازات مثالية ، يكون تغيير الطاقة الداخلية U صفرًا ، لذلك يتم استخدام كل الحرارة لأداء العمل.

عمليات متساوية

في هذه العمليات ، يظل الضغط في النظام ثابتًا ، حيث يتغير حجمه ودرجة الحرارة. بشكل عام ، يمكن أن تحدث في أنظمة مفتوحة للغلاف الجوي ، أو في أنظمة مغلقة يمكن تشويه حدودها من خلال زيادة الحجم ، من أجل مواجهة الزيادة في الضغط.

أمثلة

في الأسطوانات الموجودة داخل المحركات ، عندما يتم تسخين الغاز ، فإنه يدفع المكبس ، الذي يعدل حجم النظام.

إذا لم يكن الأمر كذلك ، فسيزداد الضغط ، لأن النظام ليس لديه طريقة لتقليل تصادم الأنواع الغازية على جدران الاسطوانة..

عمليات Isochoric

في عمليات isochoric يبقى حجم ثابت. يمكن أيضًا اعتبارها تلك التي لا يولد فيها النظام أي عمل (W = 0).

بشكل أساسي ، هي ظواهر فيزيائية أو كيميائية يتم دراستها داخل أي حاوية ، سواء كان ذلك بالتحريض أم لا.

أمثلة

ومن الأمثلة على هذه العمليات طهي الطعام ، وإعداد القهوة ، وتبريد زجاجة من الآيس كريم ، وتبلور السكر ، وحل رواسب صغيرة قابلة للذوبان ، كروماتوجرافيا التبادل الأيوني ، من بين أمور أخرى..

مراجع

1. جونز ، أندرو زيمرمان. (17 سبتمبر 2016). ما هي العملية الحرارية؟ مأخوذة من: thinkco.com
2. ج. ويلكس. (2014). العمليات الديناميكية الحرارية. [PDF]. مأخوذة من: courses.washington.edu
3. دراسة (9 أغسطس 2016). العمليات الديناميكية الحرارية: Isobaric ، Isochoric ، Isothermal & Adiabatic. مأخوذة من: study.com
4. كيفن واندري (2018). ما هي بعض الأمثلة اليومية للقوانين الأولى والثانية للديناميكا الحرارية؟ هيرست سياتل ميديا ​​، ذ. مأخوذة من: education.seattlepi.com
5. لامبرت. (2006). القانون الثاني للديناميكا الحرارية. مأخوذة من: entropysite.oxy.edu
6. 15 الديناميكا الحرارية. [PDF]. مأخوذة من: wright.edu