العمليات الديناميكية الحرارية: الأنواع والأمثلة - كيمياء - 2024

و العمليات الحرارية هي الظواهر الفيزيائية أو الكيميائية التي تنطوي على تدفق الحرارة (الطاقة) أو العمل بين نظام والمناطق المحيطة بها. عند الحديث عن الحرارة ، تتبادر إلى الذهن صورة النار بعقلانية ، وهي المظهر الجوهري للعملية التي تطلق الكثير من الطاقة الحرارية.

يمكن أن يكون النظام مجهريًا (قطار ، صاروخ ، بركان) ومجهر (ذرات ، بكتيريا ، جزيئات ، نقاط كمومية ، إلخ). يتم فصل هذا عن بقية الكون للنظر في الحرارة أو العمل الذي يدخله أو يتركه.

ومع ذلك ، لا يوجد تدفق الحرارة فقط ، ولكن يمكن للأنظمة أيضًا إحداث تغييرات في بعض المتغيرات في بيئتها كاستجابة للظاهرة المدروسة. وفقًا لقوانين الديناميكا الحرارية ، يجب أن تكون هناك مقايضة بين الاستجابة والحرارة حتى يتم الحفاظ على المادة والطاقة دائمًا.

ما ورد أعلاه صالح للأنظمة العيانية والميكروسكوبية. الفرق بين الأول والأخير هو المتغيرات التي تعتبر لتحديد حالات طاقتهم (في الجوهر ، الأولي والنهائي).

ومع ذلك ، تسعى النماذج الديناميكية الحرارية إلى ربط العالمين من خلال التحكم في المتغيرات مثل الضغط والحجم ودرجة حرارة الأنظمة ، مع الاحتفاظ ببعض هذه الثوابت لدراسة تأثير الآخرين.

النموذج الأول الذي يسمح بهذا التقريب هو نموذج الغازات المثالية (PV = nRT) ، حيث n هو عدد المولات ، والذي عند تقسيمه على الحجم V يعطي الحجم المولي.

بعد ذلك ، عند التعبير عن التغييرات بين محيط النظام كدالة لهذه المتغيرات ، يمكن تعريف البعض الآخر ، مثل العمل (PV = W) ، وهو أمر ضروري للآلات والعمليات الصناعية.

من ناحية أخرى ، بالنسبة للظواهر الكيميائية ، هناك أنواع أخرى من المتغيرات الديناميكية الحرارية ذات أهمية أكبر. ترتبط هذه بشكل مباشر بإطلاق أو امتصاص الطاقة ، وتعتمد على الطبيعة الجوهرية للجزيئات: تكوين الروابط وأنواعها.

النظم والظواهر في العمليات الديناميكية الحرارية

في الصورة العليا ، يتم تمثيل ثلاثة أنواع من الأنظمة: مغلقة ، مفتوحة ، ثابتة ثابتة.

في النظام المغلق ، لا يوجد نقل للمادة بينه وبين محيطه ، بحيث لا يمكن لأي شيء الدخول أو المغادرة ؛ ومع ذلك ، يمكن للطاقة عبور حدود الصندوق. بمعنى آخر: الظاهرة F يمكنها إطلاق أو امتصاص الطاقة ، وبالتالي تعديل ما هو خارج الصندوق.

من ناحية أخرى ، في النظام المفتوح ، تحتوي آفاق النظام على خطوطها المنقطة ، مما يعني أن كلاً من الطاقة والمادة يمكن أن تأتي وتنتقل بينهما وبين المناطق المحيطة.

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

الظواهر الفيزيائية والكيميائية

ما هي الظاهرة و بالتحديد؟ يشار إليها بالحرف F وداخل دائرة صفراء ، فإن الظاهرة هي تغيير يحدث ويمكن أن يكون تعديلًا ماديًا للمادة ، أو تحولها.

ماهو الفرق؟ بإيجاز: الأول لا ينكسر أو ينشئ روابط جديدة ، بينما الثاني يفعل.

وبالتالي ، يمكن اعتبار العملية الديناميكية الحرارية وفقًا لما إذا كانت الظاهرة فيزيائية أو كيميائية. ومع ذلك ، فإن كلاهما يشتركان في تغيير في بعض الخصائص الجزيئية أو الذرية.

أمثلة على الظواهر الفيزيائية

يؤدي تسخين الماء في وعاء إلى زيادة التصادمات بين جزيئاته ، لدرجة أن ضغط بخاره يتساوى مع الضغط الجوي ، ثم يحدث تغير الطور من سائل إلى غاز. بمعنى آخر: يتبخر الماء.

هنا جزيئات الماء لا تكسر أيًا من روابطها ، لكنها تمر بتغيرات نشطة ؛ أو ما هو نفسه ، يتم تعديل الطاقة الداخلية U للمياه.

ما هي المتغيرات الديناميكية الحرارية لهذه الحالة؟ الضغط الجوي P _ex ، ناتج درجة حرارة احتراق غاز الطهي وحجم الماء.

الضغط الجوي ثابت ، لكن درجة حرارة الماء ليست كذلك ، لأنه يسخن. ولا الحجم ، لأن جزيئاته تتمدد في الفضاء. هذا مثال على ظاهرة فيزيائية داخل عملية متساوية الضغط ؛ أي نظام ديناميكي حراري بضغط ثابت.

ماذا لو وضعت الماء مع بعض الفاصوليا في حلة الضغط؟ في هذه الحالة ، يظل الحجم ثابتًا (طالما لم يتم تحرير الضغط عند طهي الحبوب) ، ولكن يتغير الضغط ودرجة الحرارة.

وذلك لأن الغاز الناتج لا يمكنه الهروب والارتداد عن جدران الإناء وسطح السائل. ثم نتحدث عن ظاهرة فيزيائية أخرى ولكن ضمن عملية متساوية الصدور.

أمثلة على الظواهر الكيميائية

وذكر أن هناك متغيرات ديناميكية حرارية متأصلة في العوامل المجهرية ، مثل التركيب الجزيئي أو الذري. ما هي هذه المتغيرات؟ المحتوى الحراري (H) ، والإنتروبيا (S) ، والطاقة الداخلية (U) ، وطاقة جيبس ​​الحرة (S).

يتم تعريف هذه المتغيرات الجوهرية للمادة والتعبير عنها من حيث المتغيرات الديناميكية الحرارية العيانية (P و T و V) ، وفقًا للنموذج الرياضي المختار (بشكل عام نموذج الغازات المثالية). بفضل هذه الدراسات الديناميكية الحرارية يمكن إجراء الدراسات على الظواهر الكيميائية.

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

في ظل هذه الظروف ، يجب أن يضمن المفاعل (التجمع الذي يحدث فيه التفاعل) درجة حرارة ثابتة تبلغ حوالي 70 درجة مئوية ، وبالتالي فإن العملية متساوية الحرارة.

أنواع وأمثلة العمليات الديناميكية الحرارية

عمليات Adiabatic

هم تلك التي لا يوجد فيها تحويل صاف بين النظام ومحيطه. هذا على المدى الطويل مضمون من خلال نظام معزول (الصندوق داخل الفقاعة).

أمثلة

ومن الأمثلة على ذلك المسعرات ، التي تحدد كمية الحرارة المنبعثة أو الممتصة من تفاعل كيميائي (الاحتراق ، الذوبان ، الأكسدة ، إلخ).

ضمن الظواهر الفيزيائية هي الحركة التي يولدها الغاز الساخن بسبب الضغط الذي يمارس على المكابس. وبالمثل ، عندما يمارس تيار هوائي ضغطًا على سطح أرضي ، تزداد درجة حرارته مع إجباره على التمدد.

من ناحية أخرى ، إذا كان السطح الآخر غازيًا وله كثافة أقل ، فإن درجة حرارته ستنخفض عندما يشعر بضغط أعلى ، مما يجبر جزيئاته على التكثف.

تعتبر العمليات الأديباتية مثالية للعديد من العمليات الصناعية ، حيث يؤدي انخفاض فقدان الحرارة إلى انخفاض الأداء الذي ينعكس في التكاليف. للنظر في الأمر على هذا النحو ، يجب أن يكون تدفق الحرارة صفراً أو يجب أن تكون كمية الحرارة التي تدخل النظام مساوية لتلك التي تدخل النظام.

عمليات متساوية الحرارة

عمليات متساوي الحرارة هي جميع العمليات التي تظل فيها درجة حرارة النظام ثابتة. يقوم بذلك عن طريق العمل ، بحيث تختلف المتغيرات الأخرى (P و V) بمرور الوقت.

أمثلة

أمثلة على هذا النوع من العملية الديناميكية الحرارية لا حصر لها. في الأساس ، يحدث الكثير من نشاط الخلية عند درجة حرارة ثابتة (تبادل الأيونات والماء عبر أغشية الخلايا). ضمن التفاعلات الكيميائية ، تعتبر جميع تلك التي تنشئ التوازن الحراري عمليات متساوية الحرارة.

يعمل التمثيل الغذائي البشري على الحفاظ على درجة حرارة ثابتة للجسم (حوالي 37 درجة مئوية) من خلال سلسلة واسعة من التفاعلات الكيميائية. يتم تحقيق ذلك بفضل الطاقة التي يتم الحصول عليها من الطعام.

تغييرات المرحلة هي أيضًا عمليات متساوية الحرارة. على سبيل المثال ، عندما يتجمد سائل فإنه يطلق حرارة ، مما يمنع درجة الحرارة من الاستمرار في الانخفاض حتى تصبح 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 تتضمن غازات مثالية ، يكون التغير في الطاقة الداخلية U صفرًا ، لذلك يتم استخدام كل الحرارة للقيام بالعمل.

عمليات متساوية الضغط

في هذه العمليات ، يظل الضغط في النظام ثابتًا ، متغيرًا حجمه ودرجة حرارته. بشكل عام ، يمكن أن تحدث في أنظمة مفتوحة على الغلاف الجوي ، أو في أنظمة مغلقة يمكن أن تتشوه حدودها بزيادة الحجم ، بطريقة تتصدى للزيادة في الضغط.

أمثلة

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

إذا لم يكن الأمر كذلك ، فإن الضغط سيزداد ، لأن النظام ليس لديه طريقة لتقليل تصادمات الأنواع الغازية على جدران الأسطوانة.

عمليات Isochoric

في عمليات متساوية الصدر ، يظل الحجم ثابتًا. يمكن اعتبارها أيضًا تلك التي لا ينتج فيها النظام أي عمل (W = 0).

هي في الأساس ظواهر فيزيائية أو كيميائية يتم دراستها داخل أي وعاء ، سواء مع التحريك أم لا.

أمثلة

ومن الأمثلة على هذه العمليات طهي الطعام ، وتحضير القهوة ، وتبريد زجاجة الآيس كريم ، وتبلور السكر ، وتفكك ترسبات ضعيفة الذوبان ، وكروماتوغرافيا التبادل الأيوني ، وغيرها.

المراجع

1. جونز ، أندرو زيمرمان. (2016 ، 17 سبتمبر). ما هي العملية الديناميكية الحرارية؟ مأخوذة من: thinkco.com
2. جيه ويلكس. (2014). العمليات الديناميكية الحرارية.. مأخوذة من: course.washington.edu
3. دراسة (9 أغسطس 2016). العمليات الديناميكية الحرارية: متساوي الضغط ، متساوي الحرارة ، متساوي الحرارة ، ثابت الحرارة. مأخوذة من: study.com
4. كيفن واندري. (2018). ما هي بعض الأمثلة اليومية على القانونين الأول والثاني 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.. مأخوذة من: wright.edu