กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์: ประเภทและตัวอย่าง - เคมี - 2026

กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์เป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพหรือทางเคมีที่เกี่ยวข้องกับการไหลของความร้อน (พลังงาน) หรือที่ทำงานระหว่างระบบและสภาพแวดล้อม เมื่อพูดถึงความร้อนภาพของไฟจะอยู่ในใจซึ่งเป็นการแสดงออกที่เป็นแก่นสารของกระบวนการที่ปล่อยพลังงานความร้อนออกมาจำนวนมาก

ระบบสามารถเป็นได้ทั้งแบบกล้องจุลทรรศน์ (รถไฟจรวดภูเขาไฟ) และกล้องจุลทรรศน์ (อะตอมแบคทีเรียโมเลกุลจุดควอนตัม ฯลฯ ) สิ่งนี้แยกออกจากส่วนที่เหลือของจักรวาลเพื่อพิจารณาความร้อนหรืองานที่เข้าหรือออกจากมัน

อย่างไรก็ตามไม่เพียง แต่มีการไหลของความร้อนเท่านั้น แต่ระบบยังสามารถสร้างการเปลี่ยนแปลงในตัวแปรบางตัวในสภาพแวดล้อมเพื่อตอบสนองต่อปรากฏการณ์ที่พิจารณา ตามกฎหมายอุณหพลศาสตร์จะต้องมีการแลกเปลี่ยนระหว่างการตอบสนองและความร้อนเพื่อให้สสารและพลังงานได้รับการอนุรักษ์ไว้เสมอ

ข้างต้นใช้ได้กับระบบกล้องจุลทรรศน์และกล้องจุลทรรศน์ ความแตกต่างระหว่างตัวแปรแรกและตัวสุดท้ายคือตัวแปรที่พิจารณาเพื่อกำหนดสถานะพลังงานของพวกมัน (โดยพื้นฐานแล้วค่าเริ่มต้นและขั้นสุดท้าย)

อย่างไรก็ตามแบบจำลองทางอุณหพลศาสตร์พยายามที่จะเชื่อมต่อโลกทั้งสองโดยการควบคุมตัวแปรเช่นความดันปริมาตรและอุณหภูมิของระบบรักษาค่าคงที่เหล่านี้บางส่วนเพื่อศึกษาผลกระทบของโลกอื่น ๆ

แบบจำลองแรกที่อนุญาตการประมาณนี้คือก๊าซในอุดมคติ (PV = nRT) โดยที่ n คือจำนวนโมลซึ่งเมื่อหารด้วยปริมาตร V จะให้ปริมาตรโมลาร์

จากนั้นการแสดงการเปลี่ยนแปลงระหว่างสภาพแวดล้อมของระบบในฐานะฟังก์ชันของตัวแปรเหล่านี้สามารถกำหนดตัวแปรอื่น ๆ ได้เช่นงาน (PV = W) ซึ่งจำเป็นสำหรับเครื่องจักรและกระบวนการทางอุตสาหกรรม

ในทางกลับกันสำหรับปรากฏการณ์ทางเคมีตัวแปรทางอุณหพลศาสตร์ประเภทอื่น ๆ มีความสนใจมากกว่า สิ่งเหล่านี้เกี่ยวข้องโดยตรงกับการปลดปล่อยหรือการดูดซึมพลังงานและขึ้นอยู่กับลักษณะที่แท้จริงของโมเลกุล: การก่อตัวและประเภทของพันธะ

ระบบและปรากฏการณ์ในกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์

ในภาพบนจะแสดงระบบสามประเภท: ปิดเปิดและอะเดียแบติก

ในระบบปิดจะไม่มีการถ่ายโอนสสารระหว่างมันกับสิ่งรอบข้างดังนั้นไม่ว่าจะเข้าหรือออกไม่ได้ อย่างไรก็ตามพลังงานสามารถข้ามขอบเขตของกล่องได้ กล่าวอีกนัยหนึ่ง: ปรากฏการณ์ F สามารถปล่อยหรือดูดซับพลังงานได้ดังนั้นจึงปรับเปลี่ยนสิ่งที่อยู่นอกเหนือจากกล่อง

ในทางกลับกันในระบบเปิดขอบเขตอันไกลโพ้นของระบบมีเส้นประซึ่งหมายความว่าทั้งพลังงานและสสารสามารถไปมาระหว่างมันกับสภาพแวดล้อมได้

สุดท้ายในระบบที่แยกได้การแลกเปลี่ยนสสารและพลังงานระหว่างมันกับสิ่งรอบข้างเป็นศูนย์ ด้วยเหตุนี้ในภาพกล่องที่สามจึงถูกล้อมรอบด้วยฟอง มีความจำเป็นต้องชี้แจงว่าสภาพแวดล้อมอาจเป็นส่วนที่เหลือของจักรวาลและการศึกษาเป็นสิ่งที่กำหนดขอบเขตของระบบ

ปรากฏการณ์ทางกายภาพและทางเคมี

ปรากฏการณ์ F คืออะไรโดยเฉพาะ? ระบุด้วยตัวอักษร F และภายในวงกลมสีเหลืองปรากฏการณ์คือการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นและอาจเป็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพของสสารหรือการเปลี่ยนแปลงของมัน

อะไรคือความแตกต่าง? อย่างชัดเจน: ครั้งแรกไม่ทำลายหรือสร้างลิงก์ใหม่ในขณะที่ลิงก์ที่สองทำ

ดังนั้นกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์สามารถพิจารณาได้ว่าปรากฏการณ์นั้นเป็นทางกายภาพหรือทางเคมี อย่างไรก็ตามทั้งสองมีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติโมเลกุลหรืออะตอมบางอย่างเหมือนกัน

ตัวอย่างปรากฏการณ์ทางกายภาพ

การทำให้น้ำร้อนในหม้อทำให้เกิดการชนกันระหว่างโมเลกุลเพิ่มขึ้นจนถึงจุดที่ความดันของไอเท่ากับความดันบรรยากาศจากนั้นจะเกิดการเปลี่ยนเฟสจากของเหลวเป็นก๊าซ กล่าวอีกนัยหนึ่ง: น้ำระเหย

ที่นี่โมเลกุลของน้ำไม่ได้ทำลายพันธะใด ๆ แต่อยู่ระหว่างการเปลี่ยนแปลงอย่างมีพลัง หรือสิ่งที่เหมือนกันพลังงานภายใน U ของน้ำถูกปรับเปลี่ยน

ตัวแปรทางอุณหพลศาสตร์สำหรับกรณีนี้คืออะไร? ความดันบรรยากาศ P _exผลิตภัณฑ์อุณหภูมิของการเผาไหม้ของก๊าซหุงต้มและปริมาตรของน้ำ

ความดันบรรยากาศคงที่ แต่อุณหภูมิของน้ำไม่คงที่เนื่องจากมันร้อนขึ้น หรือปริมาตรเนื่องจากโมเลกุลของมันขยายตัวในอวกาศ นี่คือตัวอย่างของปรากฏการณ์ทางกายภาพภายในกระบวนการไอโซบาริก นั่นคือระบบอุณหพลศาสตร์ที่ความดันคงที่

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณใส่น้ำกับถั่วในหม้ออัดแรงดัน? ในกรณีนี้ปริมาตรจะคงที่ (ตราบเท่าที่ไม่ปล่อยความดันเมื่อถั่วสุก) แต่ความดันและอุณหภูมิเปลี่ยนไป

เนื่องจากก๊าซที่ผลิตออกมาไม่สามารถหลุดรอดและกระเด็นออกจากผนังของหม้อและพื้นผิวของของเหลว จากนั้นเราพูดถึงปรากฏการณ์ทางกายภาพอื่น แต่อยู่ในกระบวนการไอโซโคริก

ตัวอย่างปรากฏการณ์ทางเคมี

มีการกล่าวถึงว่ามีตัวแปรทางอุณหพลศาสตร์ที่มีอยู่ในปัจจัยของกล้องจุลทรรศน์เช่นโครงสร้างโมเลกุลหรืออะตอม ตัวแปรเหล่านี้คืออะไร? เอนทัลปี (H) เอนโทรปี (S) พลังงานภายใน (U) และพลังงานอิสระกิ๊บส์ (S)

ตัวแปรภายในของสสารเหล่านี้ถูกกำหนดและแสดงออกในรูปของตัวแปรเทอร์โมไดนามิกส์ระดับมหภาค (P, T และ V) ตามแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่เลือก (โดยทั่วไปคือก๊าซในอุดมคติ) ด้วยการศึกษาทางอุณหพลศาสตร์นี้สามารถดำเนินการกับปรากฏการณ์ทางเคมี

ตัวอย่างเช่นคุณต้องการศึกษาปฏิกิริยาเคมีประเภท A + B => C แต่ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 70 ºCเท่านั้น นอกจากนี้ที่อุณหภูมิสูงกว่า 100 ºCแทนที่จะผลิต C, D.

ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้เครื่องปฏิกรณ์ (ชุดประกอบที่เกิดปฏิกิริยา) ต้องรับประกันอุณหภูมิคงที่ประมาณ 70 ºCดังนั้นกระบวนการจึงมีความร้อนต่ำ

ประเภทและตัวอย่างของกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์

กระบวนการอะเดียแบติก

พวกเขาคือผู้ที่ไม่มีการถ่ายโอนสุทธิระหว่างระบบและสภาพแวดล้อม ในระยะยาวรับประกันโดยระบบแยก (กล่องด้านในฟอง)

ตัวอย่าง

ตัวอย่างนี้คือเครื่องวัดความร้อนซึ่งกำหนดปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาหรือดูดซึมจากปฏิกิริยาทางเคมี (การเผาไหม้การละลายการออกซิเดชั่น ฯลฯ )

ภายในปรากฏการณ์ทางกายภาพคือการเคลื่อนไหวที่เกิดจากก๊าซร้อนเนื่องจากความดันที่กระทำต่อลูกสูบ ในทำนองเดียวกันเมื่อกระแสอากาศออกแรงกดบนพื้นผิวโลกอุณหภูมิของมันจะเพิ่มขึ้นเมื่อถูกบังคับให้ขยายตัว

ในทางกลับกันถ้าพื้นผิวอื่นเป็นก๊าซและมีความหนาแน่นต่ำกว่าอุณหภูมิของมันจะลดลงเมื่อรู้สึกถึงความดันที่สูงขึ้นบังคับให้อนุภาคของมันควบแน่น

กระบวนการอะเดียแบติกเหมาะอย่างยิ่งสำหรับกระบวนการทางอุตสาหกรรมหลายประเภทซึ่งการสูญเสียความร้อนที่ต่ำลงหมายถึงประสิทธิภาพที่ลดลงซึ่งสะท้อนให้เห็นในต้นทุน ในการพิจารณาเช่นนี้การไหลของความร้อนจะต้องเป็นศูนย์หรือปริมาณความร้อนที่เข้าสู่ระบบจะต้องเท่ากับที่เข้าสู่ระบบ

กระบวนการไอโซเทอร์มอล

กระบวนการไอโซเทอร์มอลคือกระบวนการที่อุณหภูมิของระบบคงที่ ทำได้โดยการทำงานเพื่อให้ตัวแปรอื่น ๆ (P และ V) แตกต่างกันไปตามช่วงเวลา

ตัวอย่าง

ตัวอย่างของกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ประเภทนี้มีมากมายนับไม่ถ้วน โดยพื้นฐานแล้วกิจกรรมของเซลล์ส่วนใหญ่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิคงที่ (การแลกเปลี่ยนไอออนและน้ำผ่านเยื่อหุ้มเซลล์) ภายในปฏิกิริยาทางเคมีสิ่งที่สร้างสมดุลทางความร้อนถือเป็นกระบวนการไอโซเทอร์มอล

เมตาบอลิซึมของมนุษย์สามารถรักษาอุณหภูมิของร่างกายให้คงที่ (ประมาณ 37 throughC) ผ่านปฏิกิริยาทางเคมีที่หลากหลาย สิ่งนี้สำเร็จได้ด้วยพลังงานที่ได้รับจากอาหาร

การเปลี่ยนแปลงเฟสยังเป็นกระบวนการความร้อนใต้พิภพ ตัวอย่างเช่นเมื่อของเหลวแข็งตัวจะปล่อยความร้อนออกมาเพื่อป้องกันไม่ให้อุณหภูมิลดลงอย่างต่อเนื่องจนกว่าจะอยู่ในสถานะของแข็งอย่างสมบูรณ์ เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นอุณหภูมิจะลดลงอย่างต่อเนื่องเนื่องจากของแข็งไม่ปล่อยพลังงานอีกต่อไป

ในระบบที่เกี่ยวข้องกับก๊าซในอุดมคติการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน U เป็นศูนย์ดังนั้นความร้อนทั้งหมดจึงถูกใช้ในการทำงาน

กระบวนการไอโซบาริก

ในกระบวนการเหล่านี้ความดันในระบบจะคงที่โดยจะแปรผันตามปริมาตรและอุณหภูมิ โดยทั่วไปอาจเกิดขึ้นได้ในระบบที่เปิดสู่บรรยากาศหรือในระบบปิดซึ่งขอบเขตอาจถูกทำให้เสียรูปได้จากการเพิ่มขึ้นของปริมาตรในลักษณะที่ต่อต้านการเพิ่มขึ้นของความดัน

ตัวอย่าง

ในกระบอกสูบภายในเครื่องยนต์เมื่อก๊าซได้รับความร้อนจะดันลูกสูบซึ่งจะเปลี่ยนปริมาตรของระบบ

หากไม่เป็นเช่นนั้นความดันจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากระบบไม่มีทางลดการชนกันของชนิดก๊าซบนผนังกระบอกสูบ

กระบวนการ Isochoric

ในกระบวนการไอโซโคริกปริมาตรจะคงที่ นอกจากนี้ยังถือได้ว่าเป็นระบบที่ระบบไม่สร้างงานใด ๆ (W = 0)

โดยทั่วไปเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพหรือทางเคมีที่ศึกษาภายในภาชนะใด ๆ ไม่ว่าจะด้วยการกวนหรือไม่ก็ตาม

ตัวอย่าง

ตัวอย่างของกระบวนการเหล่านี้ ได้แก่ การปรุงอาหารการเตรียมกาแฟการทำให้ขวดไอศกรีมเย็นลงการตกผลึกของน้ำตาลการละลายของตะกอนที่ละลายน้ำได้ไม่ดีโครมาโทกราฟีแลกเปลี่ยนไอออนเป็นต้น

อ้างอิง

1. โจนส์แอนดรูว์ซิมเมอร์แมน (2559 17 กันยายน). กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์คืออะไร? นำมาจาก: thoughtco.com
2. J. Wilkes (2014) กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ . นำมาจาก: courses.washington.edu
3. ศึกษา (9 สิงหาคม 2559). กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์: Isobaric, Isochoric, Isothermal & Adiabatic นำมาจาก: study.com
4. Kevin Wandrei (2018) อะไรคือตัวอย่างในชีวิตประจำวันของกฎข้อที่หนึ่งและสองของอุณหพลศาสตร์ Hearst Seattle Media, LLC. นำมาจาก: education.seattlepi.com
5. แลมเบิร์ต (2006) กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ นำมาจาก: entropysite.oxy.edu
6. 15 อุณหพลศาสตร์ . นำมาจาก: wright.edu